160
Handbuch der Drucklufttechnik

Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

  • Upload
    lytram

  • View
    240

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

Handbuch der Drucklufttechnik

Page 2: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr
Page 3: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

Handbuch der Drucklufttechnik

6. Ausgabe

Page 4: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

Dieses Handbuch wurdeherausgegeben von:Atlas Copco Kompressorenund Drucklufttechnik GmbHKommunikationLangemarckstr. 3545141 Essen

Ohne die Erlaubnis der Atlas Copco Kompressorenund Drucklufttechnik GmbH ist das Kopieren diesesHandbuches auch in Teilen gem. den Gesetzen zumUrheberrecht nicht erlaubt. Dies gilt für alle Arten desKopierens, Druckens usw.

Dieses Handbuch enthält Bilder und Material unsererKunden und Zulieferer, denen wir hiermit herzlichdanken möchten. Ganz besonders danken wir: ABB,Siemens, Vattenfall, AGA und HAMRIN Adsorptions& Filterteknik.

Änderungen ohne vorherige Ankündigung und Irr-tümer vorbehalten.

Page 5: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

Vorwort

Dieses Handbuch wurde für diejenigen geschrieben, die mehr über die Drucklufttechnik

erfahren möchten. Diese 6. Ausgabe ist, verglichen mit der letzten Ausgabe, in vielen Kapiteln

erweitert, verbessert und auf den aktuellen Stand der Technik gebracht worden. Seit

Erscheinen der letzten Ausgabe hat sich die Technik rasant weiterentwickelt. Trotzdem blei-

ben die Grundlagen der Physik davon unberührt und bilden den Kern dieses Handbuches,

das von vielen Lesern bereits erwartet und gewünscht wird.

Dieses Handbuch behandelt sowohl die theoretischen als auch die praktischen Aspekte

der Drucklufttechnik, denen jeder begegnet, der mit Druckluft zu tun hat. Es reicht von

theoretischen Betrachtungen bis hin zu praktischen Hinweisen und Tipps für den alltäglichen

Gebrauch. Das Neue an dieser Ausgabe ist die besondere Berücksichtigung von Umwelt-

aspekten, der Druckluftqualität, den Energiesparmaßnahmen und der wirtschaftlichen Druck-

lufterzeugung. Weiterhin haben wir sowohl einige Berechnungsbeispiele als auch diverse

Tabellen und einen kompletten Index mit Schlüsselwörtern hinzugefügt. Die Inhalte dieses

Handbuches sind von unseren besten Fachleuten erstellt worden, und wir hoffen, dass die

Inhalte dieser Kapitel sowohl Anfängern als auch erfahreneren Anwendern hilfreich sein

können.

Wir glauben, dass dieses Handbuch für viele Anwender nützlich und unterhaltsam sein

wird. Obwohl viele Fragen von diesem Handbuch beantwortet werden, bleiben andere offen

und bedürfen der weiteren Diskussion. In diesen Fällen ist jeder Leser herzlich eingeladen,

sich direkt an Atlas Copco zu wenden, um unbeantwortet gebliebene Fragen zu klären.

Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH

Page 6: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

2

1.1 Allgemeine Physik 101.1.1 Aufbau der Materie 101.1.2 Moleküle und deren unter-

schiedliche Zustände 101.2 Physikalische Einheiten 11

1.2.1 Druck 111.2.2 Temperatur 121.2.3 Wärmekapazität 121.2.4 Arbeit 131.2.5 Leistung 131.2.6 Volumenstrom 14

1.3 Thermodynamik 141.3.1 Grundlagen 141.3.2 Gasgesetze 141.3.3 Wärmeübertragung 151.3.4 Zustandsänderungen 17

1.3.4.1 Isochore Prozesse 171.3.4.2 Isobare Prozesse 171.3.4.3 Isotherme Prozesse 181.3.4.4 Isentrope Prozesse 181.3.4.5 Polytrope Prozesse 19

1.3.5 Gasströmung durcheine Düse 19

1.3.6 Gasströmungen durchRohre 19

1.3.7 Drosselung 201.4 Luft 20

1.4.1 Luft im Allgemeinen 201.4.2 Feuchte Luft 21

1.5 Kompressorarten 211.5.1 Grundlagen 211.5.2 Verdrängerkompressoren 221.5.3 p/V-Diagramm von

Verdrängerkompressoren 241.5.4 Turbokompressoren 251.5.5 Verdichtung

in mehreren Stufen 251.5.6 Vergleich zwischen Verdränger-

und Turbokompressor 26

Kapitel 1Theorie

Kapitel 2Kompressoren und Zubehör

1.6 Elektrizität 261.6.1 Grundlagen und

Definitionen 261.6.2 Ohmsches Gesetz für

Wechselstrom 271.6.3 Drehstrom 281.6.4 Leistung 281.6.5 Elektromotoren 29

1.6.5.1 Drehzahl 291.6.5.2 Wirkungsgrade 291.6.5.3 Isolationsklassen 291.6.5.4 Schutzklassen 291.6.5.5 Kühlmethoden 301.6.5.6 Bauarten 301.6.5.7 Stern(Y)- und

Dreieck(∆)-Anschluss 301.6.5.8 Drehmoment 32

2.1 Verdrängerkompressoren 342.1.1 Verdrängerkompressoren

im Allgemeinen 342.1.2 Kolbenkompressoren 342.1.3 Ölfreie Kolbenkompressoren 372.1.4 Membrankompressoren 372.1.5 Schraubenkompressoren 37

2.1.5.1 Ölfreie Schrauben-kompressoren 39

2.1.5.2 Flüssigkeits-gekühlte Schrauben-kompressoren 39

2.1.6 Drehzahnkompressoren 412.1.7 Scrollkompressoren 412.1.8 Rotationskompressoren 432.1.9 Flüssigkeitsringkompressor 432.1.10 Gebläse 44

2.2 Turbokompressoren 442.2.1 Turbokompressoren

im Allgemeinen 442.2.2 Radiale Turbokompressoren 452.2.3 Axiale Turbokompressoren 46

Page 7: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

3

3.1 Auslegung vonKompressorstationen 703.1.1 Allgemein 70

3.1.1.1 Bestimmung desBetriebsüberdruckes 70

3.1.1.2 Bestimmung desDruckluftbedarfes 71

3.1.1.3 Messung desDruckluftbedarfes 73

3.1.2 Zentrale oder dezentraleKompressorstation 733.1.2.1 Allgemein 733.1.2.2 Zentrale

Kompressorstation 743.1.2.3 Dezentrale

Kompressorstation 743.1.3 Auslegung bei

Höhenaufstellung 743.1.3.1 Allgemein 743.1.3.2 Auswirkungen auf

Kompressoren 753.1.3.3 Auswirkungen auf

Antriebe 763.1.3.3.1 Elektromotoren 763.1.3.3.2 Verbrennungs-

motoren 763.2 Druckluftaufbereitung 77

3.2.1 Allgemein 773.2.2 Wasserdampf in der

Druckluft 77

2.3 Andere Kompressorarten 472.3.1 Vakuumpumpen 472.3.2 Nachverdichter (Booster) 472.3.3 Druckerhöher 48

2.4 Aufbereitung von Druckluft 482.4.1 Trocknen von Druckluft 48

2.4.1.1 Nachkühler 502.4.1.2 Kältetrockner 502.4.1.3 Überverdichtung 512.4.1.4 Absorptionstrocknung 512.4.1.5 Adsorptionstrocknung 52

2.4.2 Filter 542.5 Steuer- und Regelsysteme 56

2.5.1 Regelung im Allgemeinen 562.5.2 Regelung von Verdränger-

kompressoren 572.5.2.1 Überstromventil 572.5.2.2 Bypass 572.5.2.3 Ansaugdrossel-

regelung 572.5.2.4 Überstromventil mit An-

saugdrosselregelung 582.5.2.5 Start/Stopp 582.5.2.6 Drehzahlregelung 582.5.2.7 Variable Austritts-

öffnung 592.5.2.8 Saugventilanhebung 592.5.2.9 Totraumveränderung 592.5.2.10 Volllast – Leerlauf –

Stopp 592.5.3 Regelung von Turbo-

kompressoren 602.5.3.1 Ansaugdrosselung 602.5.3.2 Eintrittsleitapparat 602.5.3.3 Austrittsleitapparat 602.5.3.4 Überstromventil 602.5.3.5 Volllast – Leerlauf –

Stopp 602.5.3.6 Drehzahlregelung 62

2.5.4 Regelverhalten 622.5.4.1 Allgemein 622.5.4.2 Volllast – Leerlauf –

Stopp 62

2.5.4.3 Drehzahlregelung 632.5.5 Überwachung 63

2.5.5.1 Temperaturmessung 632.5.5.2 Druckmessungen 642.5.5.3 Überwachung 64

2.5.6 Übergeordnete Steuerungen 652.5.6.1 Reihenfolgesteuerung 65

2.5.7 Kompressorleitsysteme 662.5.8 Fernüberwachung 67

Kapitel 3Auslegung und Installation

Page 8: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

4

3.2.3 Öl in der Druckluft 783.2.4 Mikroorganismen in der

Druckluft 793.2.5 Filter 803.2.6 Nachkühler 813.2.7 Wasserabscheider 813.2.8 Öltropfen 81

3.3. Kühlsysteme 823.3.1 Wassergekühlte

Kompressoren 823.3.1.1 Allgemein 823.3.1.2 Offenes System

ohne Kreislauf 823.3.1.3 Offenes System

mit Kreislauf 833.3.1.4 Geschlossene Systeme 83

3.4 Wärmerückgewinnung 853.4.1 Allgemein 853.4.2 Berechnung der zurückge-

winnbaren Wärmemenge 873.4.3 Methoden 87

3.4.3.1 Allgemein 873.4.3.2 Luftgekühlte

Systeme 883.4.3.3 Wassergekühlte

Systeme 893.5 Kompressorraum 90

3.5.1 Allgemein 903.5.2 Aufstellung und Auslegung 913.5.3 Fundamente 923.5.4 Ansaugluft 923.5.5 Belüftung 93

3.6 Druckluftverteilung 963.6.1 Allgemein 96

3.6.1.1 Druckluftbehälter 963.6.2 Auslegung des Druckluft-

netzes 983.6.3 Dimensionierung des Druck-

luftnetzes 993.6.4 Volumenstrommessung 101

3.7 Fahrbare Kompressoren 1013.7.1 Allgemein 101

3.7.2 Schall- und Abgas-emissionen 101

3.7.3 Transport und Zubehör 1023.8 Elektroinstallation 102

3.8.1 Allgemein 1023.8.2 Antriebsmotoren 1023.8.3 Anlassmethoden 1033.8.4 Steuerspannung 1043.8.5 Kurzschlusssicherung 1043.8.6 Kabel 1053.8.7 Blindstromkompensation 105

3.9 Schall 1063.9.1 Allgemein 1063.9.2 Schalldruck 1063.9.3 Absorption 1063.9.4 Raumkonstante 1073.9.5 Schalldämpfung 1073.9.6 Beziehung zwischen Schallleis-

tung und Schalldruckpegel 1073.9.7 Schallmessung 1083.9.8 Zusammenwirken mehrerer

Schallquellen 1083.9.9 Schallreduzierung 1093.9.10 Schall bei Kompressor-

installationen 1093.10 Normen, Gesetze

und Vorschriften 1103.10.1 Allgemein 1103.10.2 Normen 110

4.1 Wirtschaftlichkeit 1124.1.1 Kosten der Druckluft-

erzeugung 1124.1.1.1 Allgemein 1124.1.1.2 Aufteilung

der Kosten 1134.2 Möglichkeiten von Kosten-

einsparungen 1134.2.1 Leistungsbedarf 1134.2.2 Betriebsüberdruck 114

Kapitel 4 Wirtschaftlichkeit

Page 9: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

5

4.2.3 Druckluftverbrauch 1154.2.4 Regelmethoden 1164.2.5 Druckluftqualität 1174.2.6 Wärmerückgewinnung 1184.2.7 Wartung 119

4.2.7.1 Wartungsplanung 1204.2.7.2 Zusatzausstattung 120

4.3 Andere wirtschaftlicheFaktoren 1204.3.1 Allgemein 1204.3.2 Lebensdauerkosten 121

5.1 Beispiel:Auslegung einerKompressorstation 124

5.2 Daten 1255.2.1 Druckluftbedarf 1255.2.2 Umgebungsbedingungen 1255.2.3 Verschiedenes 125

5.3 Komponentenauswahl 1265.3.1 Auslegung des Kompressors 1275.3.2 Annahmen für die weitere

Berechnung 1275.3.3 Auslegung des Behälter-

volumens 1285.3.4 Auslegung des Trockners 1295.3.5 Annahmen für die weiteren

Berechnungen 1295.3.6 Kontrolle der Berechnungen 130

5.4 Zusätzliche Berechnungen 1315.4.1 Kondensatmengen-

berechnung 1315.4.2 Zuluftbedarf des Kompressor-

raumes 1325.5 Sonderfall 1:

Höhenaufstellung 1335.6 Sonderfall 2:

Intermittierender Betrieb 134

Kapitel 5Berechnungsbeispiele

5.7 Sonderfall 3:Wärmerückgewinnungmit Kühlwasser 1355.7.1 Annahmen 1365.7.2 Berechnung des Wasser-

stromes im Kreislauf 1365.7.3 Wärmemengenberechnung 1375.7.4 Zusammenfassung 137

5.8 Sonderfall 4:Druckverlust in derDruckluftleitung 138

6.1 Das SI-System 1406.2 Zeichnungssymbole 1436.3 Diagramme und Tabellen 1456.4 Übersicht über verschiedene

Standards und Normen 1506.4.1 Sicherheitsbestimmungen

und -standards 1506.4.1.1 Maschinensicherheit 1506.4.1.2 Druckbehälter 1506.4.1.3 Umweltschutz 1506.4.1.4 Elektrotechnik 150

6.4.2 Technische Standards undNormen 1516.4.2.1 Standardisierung 1516.4.2.2 Spezifikationen 1516.4.2.3 Messmethoden 151

Index 152

Kapitel 6Anhang

Page 10: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

6

Page 11: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

7

Kapitel 1Theorie

Kapitel 2Kompressoren und Zubehör

Kapitel 3Auslegung und Installation

Kapitel 4Wirtschaftlichkeit

Kapitel 5Berechnungsbeispiele

Kapitel 6Anhang

Page 12: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

8

Page 13: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

Kapitel 1 Theorie

Page 14: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

10

1.1 Allgemeine Physik

1.1.1 Aufbau der Materie

Materie besteht aus Protonen, Neutronen undElektronen. Zusätzlich existieren weitere Teil-chen, die allerdings nicht in einem stabilenZustand auftreten können.

Alle diese Teilchen werden durch vierEigenschaften charakterisiert: die elektrischeLadung, die Masse, die mechanischen unddie magnetischen Kräfte.

1:1

Die Ordnungszahl des Elementes imPeriodensystem gibt gleichzeitig die Anzahlder Protonen im Atomkern an. Die Masse derProtonen und der Neutronen bildet zusam-men ungefähr die Gesamtmasse des Atoms.

Diese Informationen sind ein Teil derDaten, die dem Periodensystem der Elementeentnommen werden können. Die Elektronen-hüllen enthalten genauso viele Elektronen,wie Protonen im Atomkern vorhanden sind.Dies bedeutet, dass ein Atom elektrischneutral ist.

Der dänische Physiker Niels Bohr ent-wickelte und bewies bereits 1913 eine Theorie,die besagte, dass Atome in einem stationärenZustand nur mit einem bestimmten Energie-inhalt existieren können. Wird ein Atomdurch Energiezufuhr in einen höheren Ener-giezustand versetzt, wird diese Energie alsStrahlung wieder abgegeben, wenn das Atomin den Ursprungszustand zurückfällt.

Diese Strahlung wird als Licht wahrge-nommen und tritt in unterschiedlichen For-men mit verschiedenen Wellenlängen auf. Ineinem Spektrographen erscheinen diese alsLinien im Gesamtspektrum.

1.1.2 Moleküle und deren unter-

schiedliche Zustände

Durch chemische Bindungskräfte zusammen-gehaltene Atome werden als Moleküle be-zeichnet. Diese sind so klein, dass zum Bei-spiel 1 mm3 Luft bei atmosphärischem Druckungefähr 2,55 · 1016 Moleküle enthält.

Jede Materie kann im Prinzip in vier ver-schiedenen Zuständen existieren: fest, flüssig,gasförmig und als Plasma. Im festen Zustandbefinden sich die Moleküle, zusammenge-halten von starken Bindungskräften, dicht ge-packt in einem Gitter. Bei allen Temperaturenüber dem absoluten Nullpunkt bewegen sichdie Moleküle mehr oder weniger. Im festen

Die Elektronenhüllen bestimmen die chemischenEigenschaften der Elemente. Beispiele dafür sind:

Wasserstoff (oben) hat ein Elektron in einerElektronenhülle. Helium (Mitte) hat zwei Elektronen

in einer Elektronenhülle. Lithium (unten) hat eindrittes Elektron in einer weiteren Elektronenhülle.

Page 15: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

11

Zustand äußert sich dies als Bewegung umeinen festen Punkt im Gitter. Mit steigendenTemperaturen nehmen diese Bewegungen zu.

Wird eine Substanz so stark erhitzt, dassdie Bewegung der Moleküle nicht mehrdurch die starre Struktur des Gitters aufge-halten werden kann, löst sich die Gitter-struktur auf, und die Moleküle bilden eineFlüssigkeit. Wird die Flüssigkeit weiter er-hitzt, verringern sich die Bindungskräfte derMoleküle weiter, und es entsteht ein gasför-miger Zustand. Das Gas expandiert in alle

1:2

Ein Salzkristall besitzt eine würfelförmige Struktur.Gewöhnliches Salz (NaCl) ist ein typisches Beispiel

dafür. Die Linien zeigen die Bindungskräfte zwischendem Natrium (rot) und dem Chlor (weiß).

1:3

Bei Zuführung von Wärme ändert sich der Aggregatzustand jeder Substanz.Das Diagramm zeigt diesen Vorgang für Wasser.

Richtungen und mischt sich mit anderenbereits vorhandenen Gasen.

Wenn ein Gas abgekühlt wird, verlierendie Moleküle ihre Bewegungsgeschwindig-keit, binden sich aneinander, und die Kon-densation beginnt. Wird Gas jedoch nochweiter erhitzt, zerfallen die Moleküle in ihreverschiedenen Bestandteile und bilden einPlasma aus Elektronen und Atomkernen.

1.2Physikalische Einheiten

1.2.1 Druck

Die Gewichtskraft, die eine Luftsäule, die sichvom Meer bis zum Rande der Atmosphäreerstreckt, auf einen Quadratzentimeter des Bo-dens ausübt, beträgt 10,13 N. Der atmosphä-rische Druck auf Meeresniveau erreicht daher10,13 · 104 N pro Quadratmeter. Die EinheitN/m3 wird auch als 1 Pa (Pascal) bezeichnetund ist gleichzeitig die SI-Einheit für denDruck. Ein einfacher Vergleich zeigt, dass1 bar = 100.000 Pa entspricht. Der atmosphä-rische Druck nimmt mit steigender Entfer-nung zum Meeresspiegel ab.

Page 16: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

12

1:5

Dieses Bild zeigt den Zusammenhang zwischenCelsius und Kelvin. Auf der Celsius-Skala befindet

sich 0° am Gefrierpunkt von Wasser, während auf derKelvin-Skala 0° beim absoluten Nullpunkt liegt.

Die meisten Druckmanometer messen den Differenzdruck zwischen dem Druck in einem geschlossenen Behälter unddem atmosphärischen Druck. Um den Absolutdruck zu ermitteln, muss der jeweilige atmosphärische Druck zu dem

gemessenen Differenzdruck addiert werden.

1:4

1.2.2 Temperatur

Die Temperatur eines Gases ist schwierigerzu bestimmen als sein Druck. Die Temperaturist ein Maß für die kinetische Energie derMoleküle. Je höher die Temperatur, destoschneller ist deren Bewegung. Bei Erreichendes absoluten Nullpunktes hört jede Bewe-gung auf. Die Kelvin-Skala beginnt beidiesem Punkt, ist jedoch genauso in Gradunterteilt wie die Celsius-Skala. Die Umrech-nungsformel lautet:

T = t + 273,15T = absolute Temperatur (Kelvin)t = Temperatur (Celsius)

1.2.3 Wärmekapazität

Die Wärmekapazität gibt diejenige Energie-menge an, die erforderlich ist, um 1 kg einesbestimmten Stoffes um 1 K zu erwärmen.

Page 17: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

13

Demgemäß ist die Einheit der Wärmekapa-zität J/kgK. Konsequenterweise erhält diemolare Wärmekapazität die Einheit J/mol K.Die für die Wärmekapazität verwendeten Be-zeichnungen lauten:

cp = Wärmekapazitätbei konstantem Druck

cv = Wärmekapazitätbei konstantem Volumen

Cp = molare Wärmekapazitätbei konstantem Druck

Cv = molare Wärmekapazitätbei konstantem Volumen

Die Wärmekapazität eines Stoffes beikonstantem Druck ist stets größer als dieWärmekapazität bei konstantem Volumen.Die Wärmekapazität für einen bestimmtenStoff ist jedoch nicht konstant, sondernnimmt mit steigender Temperatur zu.

Für den praktischen Gebrauch kannjedoch ein Durchschnittswert verwendet wer-den. Für Flüssigkeiten und feste Substanzengilt cp ≈ cv ≈ c. Die erforderliche Wärme-menge, um eine bestimmte Masse von einerTemperatur t1 auf t2 zu erhitzen, beträgt:

Q ≈ m · c · ( t2 – t1)

Q = Wärme (W)m = Massenstrom (kg/s)c = spezifische Wärmekapazität

(J/kg · K)t = Temperatur (K)

Der Grund, warum cp immer größer alscv ist, liegt in der zu verrichtenden Ex-pansionsarbeit begründet, die ein Gas leistenmuss, wenn der Druck konstant bleiben soll.Der Quotient aus cp und cv wird als kappa (κ)bezeichnet und wird durch die Anzahl derAtome in den Molekülen bestimmt.

1.2.4 Arbeit

Mechanische Arbeit wird als Produkt aus derKraft und dem Weg, den diese Kraft wirkt,definiert.

Genau wie die Wärme ist die Arbeit eineEnergie, die von einem Körper auf einenandern übertragen wird. Der Unterschied istder, dass hier eine Kraft wirkt und nicht eineTemperatur.

Ein gutes Beispiel ist die Verdichtungeines Gases in einem Zylinder durch einenbeweglichen Kolben. Die Verdichtung ent-steht durch eine Kraft, die den Kolben be-wegt. Durch diese Bewegung wird Energievom Kolben auf das eingeschlossene Gasübertragen. Diese Energieübertragung stehtin einem thermodynamischen Zusammen-hang. Die Höhe der vom Kolben abgegebe-nen und vom Gas aufgenommenen Energieist immer gleich. Arbeit kann zu verschie-denen Ergebnissen führen, zum Beispiel zueiner Änderung der potenziellen Energie, derkinetischen Energie oder der Wärmeenergie.

Mechanische Arbeit, in Verbindung mitder Volumensänderung eines Gases, stellteinen der wichtigsten Prozesse in der Ther-modynamik dar.

Die SI-Einheit für die Arbeit ist dasJoule. 1 J = 1Nm = 1 Ws

1.2.5 Leistung

Leistung ist Arbeit pro Zeit. Die SI-Einheit fürdie Leistung ist das Watt.

1 W = 1J/sDie Leistung, die erforderlich ist, die

Welle eines Kompressors anzutreiben, ist

cp Cp=

cv Cv=κ

Page 18: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

14

identisch mit der vom Kompressor abge-strahlten plus der vom Gas aufgenommenenWärme.

1.2.6 Volumenstrom

Die SI-Einheit für den Volumenstrom istm3/s. Der Volumenstrom eines Kompressorswird in der Praxis jedoch oft in l/s, m3/minoder in m3/h angegeben. Dabei unterscheidetman zwischen der Volumenstromangabe be-zogen auf den Normzustand (z. B. Nm3/h)und dem Volumenstrom bezogen auf denjeweiligen Ansaugzustand vor Ort.

Auf den Normzustand bezogen, wirdder Volumenstrom auf 1,013 bar, 0 °C und0 % relative Feuchte umgerechnet. DieseAngabe findet häufig bei der Auswahl einesMassenstromes ihre Anwendung.

Der Volumenstrom am Austritt einesKompressors wird jedoch gewöhnlich aufdie jeweiligen Ansaugbedingungen vor Ort(Druck, Temperatur und relative Feuchte)zurückgerechnet. Der Volumenstrom beziehtsich daher nicht auf den verdichteten Zu-stand, sondern gibt an, welches Volumen vonder Luft eingenommen würde, wenn mandiese wieder vollständig entspannen würde.

Die Umrechnungsformel zwischen demNormzustand und dem auf den Ansaug-zustand bezogenen Volumenstrom lautet(ohne Berücksichtigung der rel. Feuchte):

Qi = Volumenstrom bei den jeweiligenAnsaugbedingungen (m3/h)

Qn = Volumenstrom bezogen auf denNormzustand (Nm3/h)

Ti = Eintrittstemperatur (°C)pi = Umgebungsdruck (bar)

1.3Thermodynamik

1.3.1 Grundlagen

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik istein Naturgesetz, das noch nie bewiesen wer-den konnte, aber trotzdem ohne jede Ein-schränkungen angewandt wird. Er besagt,dass Energie weder erzeugt noch zerstörtwerden kann und dass der Energieinhalt ineinem nach außen abgeschlossenen Systemimmer konstant ist.

Der zweite Hauptsatz besagt, dassWärme niemals von einem kälteren zu einemheißeren Ort übertragen werden kann. Diesbedeutet, dass Energie nur dann zur Verrich-tung von Arbeit zur Verfügung steht, wenndiese dabei von einem höheren zu einemniedrigeren Temperaturniveau überführt wer-den kann. Bei einer Wärmekraftmaschinekann daher nur dann Wärme in mechanischeArbeit überführt werden, wenn gleichzeitigein Teil der Wärme, ohne Arbeit zu verrich-ten, an die Umgebung abgegeben wird.

1.3.2 Gasgesetze

Das Gasgesetz von Boyle-Marriotte besagt,dass bei konstanter Temperatur das Produktaus Volumen und Druck konstant bleibt.

p1 · V1 = p2 · V2

p = Absolutdruck (bar)V = Volumen (m3)

Aus der Formel kann gefolgert werden,dass sich bei einer Halbierung des Volumens(Komprimierung) der Druck verdoppelt.

Das Gesetz von Charles besagt, dass dasVolumen eines Gases direkt proportional zuder Temperatur des Gases ist.

Qi =Qn · (273,15 + Ti ) · 1,013

273,15 · pi

Page 19: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

15

V = VolumenT = absolute Temperatur (Kelvin)∆V = Volumenänderung∆T = Temperaturänderung

Das allgemeine Gasgesetz ist eine Kom-bination aus beiden Gesetzen. Es beschreibt,wie sich Druck, Temperatur und Volumengegenseitig beeinflussen.

Wenn einer dieser Werte sich ändert,bedeutet dies immer auch eine Veränderungbei mindestens einem weiteren Wert.

= R = Gaskonstante

p = Absolutdruck (Pa)v = spezifisches Volumen (m3/kg)T = Temperatur (K)R = R/M = spezifische Gaskonstante

(J/kg · k)

Die Konstante R wird als spezifische Gas-konstante bezeichnet und beschreibt die in-dividuellen Eigenschaften des Gases. WennMasse und Volumen des Gases bekannt sind,kann die Formel auch wie folgt geschriebenwerden:

p · V = m · R · T

p = Absolutdruck (Pa)V = Volumen (m3)m = Molmasse (kmol)R = universelle Gaskonstante

= 8314 J/kmol · KT = Temperatur (K)

1.3.3 Wärmeübertragung

Jeder Wärmeunterschied in einem Körperoder zwischen zwei Körpern führt zu einerWärmeübertragung, die die Wärmeunter-schiede ausgleicht. Diese Wärmeübertragungkann auf drei verschiedene Arten stattfinden:

Wärmeleitung, Konvektion oder Strah-lung. Meistens treten in der Realität alle dreiÜbertragungswege gleichzeitig auf.

Wärmeleitung findet in einem festenKörper oder zwischen dünnen Schichten vonGasen und Flüssigkeiten statt. Die Moleküleübertragen dabei ihre Bewegungsenergiedirekt auf benachbarte Moleküle.

Konvektion kann als freie oder erzwun-gene Konvektion auftreten. Freie Konvektionliegt vor, wenn die Bewegung zwischen denMedien natürliche Ursachen hat, während beider erzwungenen Konvektion die Bewegungvon einem Lüfter bzw. von einer Pumpehervorgerufen wird. Es findet dann ein be-sonders intensiver Wärmeaustausch statt.

Alle Körper mit einer Temperatur überdem absoluten Nullpunkt strahlen Wärmeab. Wenn Wärmestrahlung auf einen Körpertrifft, wird ein Teil der Strahlung absorbiertund in Wärme verwandelt. Die Strahlen, dienicht absorbiert werden, passieren den Kör-per oder werden reflektiert. Lediglich ein voll-kommen schwarzer Körper könnte theore-tisch die gesamte Strahlung absorbieren.

In der Praxis handelt es sich bei einerWärmeübertragung immer um die Additionaller drei Vorgänge. Es gilt:

q = k · A · ∆T · t

q = Wärmemenge (J)k = Wärmeübertragungskoeffizient

(W/m2 · K)A = Oberfläche (m2)∆T = Temperaturunterschiedt = Zeit (s)

>__V1

T1

V2

T2= ∆V

V1

T1= · ∆T

p · v

T

ˇˇ

ˇ

ˇ

ˇ

ˇ

Page 20: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

16

Wärmeübertragung findet oft zwischenKörpern statt, die durch eine Wand vonein-ander getrennt sind. Der Gesamtwärmeüber-tragungskoeffizient hängt dann von denWärmeübertragungskoeffizienten der Stoffeund des Koeffizienten für die Trennwand ab.Für eine flache Wand gilt folgende Formel:

1/k = 1/α1 + d/λ + 1/α2

α = Wärmeübertragungskoeffizientder beiden Körper (W/m2 · K)

d = Dicke der Wand (m)λ = Wärmeübertragungskoeffizient

für die Wand (W/m · K)k = Gesamtwärmeübertragungs-

koeffizient (W/m2 · K)

Die Gesamtmenge der transportiertenWärme, zum Beispiel in einem Wärme-tauscher, ist immer eine Funktion des Wärme-unterschiedes und des Gesamtwärmeübertra-gungskoeffizienten. Abhängig von der zurVerfügung stehenden Oberfläche gilt:

Q = k · A · ϑm

Q = transportierte Wärmemengek = Gesamtwärmeübertragungs-

koeffizient (W/m2 · K)A = wärmeübertragende

Oberfläche (m2)ϑm = logarithmische Durchschnitts-

temperatur (K)

Die logarithmische Durchschnittstem-peratur errechnet sich aus den Temperaturenam Ein- und Austritt des Wärmetauschers:

ϑm = logarithmischeDurchschnittstemperatur (K)

ϑ = Temperaturunterschiedegem. Bild 1:6

1:6

Wärmeübertragung in Wärmetauschern mit Gegen- und Gleichstrom

ϑm =ϑ1 – ϑ2

ϑ1

ϑ2ln

Page 21: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

17

1.3.4 Zustandsänderungen

Die Zustandsänderung eines Gases kann imp/V-Diagramm verfolgt werden. Prinzipiellwerden dafür drei Achsen für die Variablenp, V und T benötigt. Bei einer Zustands-änderung würde man sich dann entlang einerKurve über eine von dieser Kurve im Raumerzeugte Oberfläche bewegen. In der Praxisjedoch projiziert man diese Bewegung aufeine von drei Flächen, gewöhnlich diep/V-Fläche. Grundsätzlich unterscheidet manzwischen fünf verschiedenen Zustandsände-rungen:

Isochore Prozesse (konstantes Volumen),isobare Prozesse (konstanter Druck), iso-therme Prozesse (konstante Temperatur), isen-trope Prozesse (keine Wärmeübertragungan die Umgebung) und polytrope Prozesse(der Wärmeübergang an die Umgebung wirddurch eine einfache mathematische Formelbeschrieben).

1.3.4.1 Isochore Prozesse

Das Erhitzen eines Gases in einem abge-schlossenen Behälter ist ein gutes Beispiel füreinen isochoren Prozess. Die Formel für diezugeführte Energiemenge lautet:

q = m · cv · (T2-T1)

q = Energie (J) m = Masse (kg)cv = Wärmekapazität bei konstantem

Volumen (J/kg · K)T2-T1 = Temperaturerhöhung (K)

1.3.4.2 Isobare Prozesse

Das Erhitzen eines Gases in einem Zy-linder mit einem beweglichen und konstantbelasteten Kolben ist ein Beispiel für einenisobaren Prozess. Die Formel für die zuge-führte Energiemenge lautet in diesem Fall:

1:7

Isochore Zustandsänderungen bedeuten immersteigenden Druck bei konstantem Volumen

1:8

Isobare Zustandsänderungen bedeuten zunehmendesVolumen bei konstantem Druck

Page 22: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

18

q = m · cp · (T2 – T1)

q = Energie (J)m = Masse (kg)cp = Wärmekapazität bei konstantem

Druck (J/kg · K)T2-T1 = Temperaturerhöhung (T)

1.3.4.3 Isotherme Prozesse

Wenn ein Gas isotherm verdichtet werdensoll, müsste die zugeführte Energie sofort alsWärme abgeführt werden. Dies ist in derPraxis nicht zu realisieren, da ein solcherProzess sehr langsam ablaufen würde.

Die Formel für die Energiemenge lautet:

q = m · R · T · ln

q = p1 · V1 · ln

q = Wärmemenge (J)m = Masse (kg)R = individuelle Gaskonstante

(J/kg · K)T = Temperatur (K)V = Volumen (m3)p = Absolutdruck (Pa)

1:9

Isotherme Zustandsänderungen führenzu sich verändernden Drücken und Volumina

bei konstanter Temperatur

1.3.4.4. Isentrope Prozesse

Ein isentroper Prozess liegt vor, wenn ein Gasin einem vollständig isolierten Zylinder ohnejeden Wärmeaustausch mit der Umgebungverdichtet wird oder wenn ein Gas in einerDüse so schnell entspannt wird, dass keinWärmeaustausch mit der Umgebung statt-finden kann. Die Formel für einen solchenVorgang lautet:

p = Absolutdruck (Pa)

V = Volumen (V)

T = Temperatur (K)

p2

p1

V2

V1

V1

V2

T2

T1

κ κκ-1p2

p1

p2

p1

cp

cv

= =

κ =

>__

1:10

Wenn die Entropie in einem Gas, das entspanntoder verdichtet wird, konstant bleibt und kein

Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet,liegt ein isentroper Prozess vor

Page 23: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

19

1.3.4.5. Polytrope Prozesse

Der isotherme Prozess erfordert den vollstän-digen Wärmeaustausch mit der Umgebung,während der isentrope Prozess diesen voll-kommen ausschließt. In der Realität liegenalle Prozesse irgendwo zwischen diesenbeiden Extremen und werden als polytropeProzesse bezeichnet.

Die Formel für solche Prozesse lautet:

p · Vn = konstant

p = Absolutdruck (Pa)V = Volumen (m3)n = 0 isobarer Prozessn = 1 isothermer Prozessn = κ isentroper Prozessn = ∞ isochorer Prozess

1.3.5 Gasströmung durch eine Düse

Die Gasströmung durch eine Düse hängtvom Druckverhältnis der auf den beidenSeiten der Düse vorhandenen Drücke ab.Wird der Druck hinter der Düse gesenkt,nimmt der Volumenstrom zu. Dies geschiehtjedoch nur so lange, bis der Druck vor derDüse annähernd doppelt so hoch ist wie nachder Düse. Eine weitere Druckabsenkunghinter der Düse führt dann nicht mehr zueiner Erhöhung des Volumenstromes.

Diese Grenze wird auch als kritischesDruckverhältnis bezeichnet und hängt vomIsentropenexponenten (κ) des Gases ab. Daskritische Druckverhältnis liegt vor, wenn dieGasgeschwindigkeit in der Düse die Schallge-schwindigkeit erreicht hat.

Die Strömung wird als superkritisch be-zeichnet, wenn der Druck hinter der Düsenoch weiter reduziert wird.

Die Formel für die Strömung durch eineDüse lautet:

G =

G = Massenstrom (kg/s)α = Düsenkoeffizientψ = StrömungskoeffizientA = kleinster Querschnitt (m2)R = individuelle Gaskonstante (J/kgK)T1 = Temperatur vor der Düse (K)p1 = Absolutdruck vor der Düse (bar)

1.3.6 Gasströmungen durch Rohre

Die Reynolds-Zahl ist eine dimensionsloseZahl, die das Verhältnis zwischen der Träg-heit und der Reibung in einem fließendenMedium angibt. Sie ist definiert als:

Re = D · w · η / ρ = D · w · v

D = eine charakteristische Messgröße (z. B. der Rohrdurchmesser) (m)

w = durchschnittliche Fließ-geschwindigkeit (m/s)

ρ = Dichte des Mediums (kg/m3)η = dynamische Viskosität

des Mediums (Pa · s)v = η/ρ = kinematische Viskosität

des Mediums ( m2/s)

Im Prinzip können zwei verschiedeneStrömungsarten in einem Rohr auftreten. BeiReynolds-Zahlen kleiner als 2.000 herrschendie viskosen Kräfte in einer Strömung vor,und es stellt sich eine laminare Strömung ein,d. h., es treten in der Strömung keine Verwir-belungen auf. Die Geschwindigkeitsvertei-lung über den Rohrquerschnitt entsprichteiner Parabelform. Bei Reynolds-Zahlengrößer als 4.000 bestimmen die Trägheits-

· ψ · p1 · 105 · A · R · T1

2

Page 24: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

20

kräfte die Art der Strömung, und dieStrömung wird turbulent. Die Geschwindig-keitsverteilung ist zufällig.

Bei Reynolds-Zahlen zwischen 2.000 und4.000 stellt sich entweder eine laminare odereine turbulente Strömung oder eine Misch-ung aus beiden ein. Entscheidenden Einflusshaben hier Größen wie die Rauheit derRohroberfläche oder ähnliche Eigenschaften.

Um eine Strömung in einem Rohr zu er-zeugen, ist ein Druckunterschied erforderlich,der die Reibungsverluste im Rohr über-windet. Die Größe des erforderlichen Druck-unterschiedes hängt vom Durchmesser desRohres, von seiner Länge und Form, seinenOberflächeneigenschaften und von der Rey-nolds- Zahl des Mediums ab.

1.3.7 Drosselung

Wenn ein ideales Gas mit konstantem Druckdurch eine Drossel fließt, bleibt dessenTemperatur theoretisch unverändert. Jedochstellt sich in der Praxis immer ein Druck- undTemperaturverlust ein, da ein Teil der Druck-energie in kinetische Energie umgewandeltwird und dies die Temperatur des Gasesfallen lässt. Bei realen Gasen ist dieser Tem-peraturverlust selbst dann dauerhaft, wennder Gesamtenergieinhalt des Gases konstantbleibt. Dies wird als Joule-Thomson-Effektbezeichnet.

Wenn das fließende Medium eine aus-reichend niedrige Temperatur hat (kleiner als≤ + 329 °C bei Luft), tritt immer ein Tempe-raturverlust in der Drossel auf. Bei höherenTemperaturen nimmt die Temperatur jedochsogar zu. Diese Effekte werden in verschie-denen technischen Anwendungen, z. B. beider Kältetechnologie und bei der Luftzer-legung, angewandt.

1.4 Luft

1.4.1 Luft im Allgemeinen

Luft ist ein farb-, geruch- und geschmack-loses Gasgemisch. Es besteht aus vielen ver-schiedenen Gasen. Die Hauptbestandteilesind Sauerstoff und Stickstoff. Luft kann beiden meisten Berechnungen als ideales Gasbetrachtet werden. Die Zusammensetzung istbis zu einer Höhe von 25 km über demMeeresspiegel relativ konstant.

Luft enthält immer auch feste Partikel,wie Staub, Sand, Ruß und Salzkristalle.Während die Menge dieser Partikel in be-wohnten Gegenden höher ist, nimmt sie inländlichen Gebieten und in großer Höhe ab.

Luft ist aber keine Chemikalie, sondernlediglich ein Gasgemisch. Dies ist auch derGrund dafür, warum Luft durch eine starkeAbkühlung wieder in ihre Bestandteile zer-legt werden kann.

1:11

Wenn ein ideales Gas durch eine kleine Öffnungzwischen zwei großen Behältern fließt, bleibt der

Energieinhalt konstant und es findet kein Wärme-austausch statt. Es tritt jedoch ein Druckverlust

beim Durchströmen der Öffnung auf.

Page 25: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

21

1.4.2 Feuchte Luft

Feuchte Luft kann als Mischung aus tro-ckener Luft und Wasserdampf angesehenwerden. Enthält Luft Feuchtigkeit, wird dieseauch als feuchte Luft bezeichnet. Die Luft-feuchtigkeit kann zwischen verschiedenenGrenzen schwanken. Die Extremwerte sindvollständig trockene und vollständig gesät-tigte Luft.

Die Fähigkeit der Luft, Wasserdampfaufzunehmen, nimmt mit steigender Tempe-ratur zu. Es gibt somit zu jeder Temperatureine maximal mögliche Wasserdampfmenge,die in der Luft enthalten sein kann.

Luft enthält normalerweise deutlich weni-ger Wasserdampf als maximal möglich. Die re-lative Feuchtigkeit, angegeben in Prozent,gibt den Sättigungsgrad der Luft mit Wasser-dampf für eine bestimmte Temperatur an.

Der Taupunkt ist die Temperatur, bei derdie Luft vollständig mit Wasserdampf gesät-

1:12

Luft ist ein Gasgemisch, das hauptsächlichaus Sauerstoff und Stickstoff besteht.

Lediglich 1 % davon sind andere Gase.

tigt ist. Fällt die Temperatur der Luft unterden Taupunkt, setzt Kondensation ein. DerBegriff des atmosphärischen Taupunkteswird dann verwendet, wenn die Luft voll-ständig entspannt ist. Der Drucktaupunktgibt denselben Wert für verdichtete Luft an.Es gilt der folgende Zusammenhang:

(p - ϕ · ps) · 105 · V = Ra · ma · T

ϕ · ps · 105 · V = Rv · mv · T

p = Absolutdruck (bar)ps = Sättigungsdruck für die jeweilige

Temperatur (bar)ϕ = relativer DampfdruckV = Gesamtvolumen

der feuchten Luft (m3)Ra = Gaskonstante für feuchte Luft

= 287,1 J / kg · KRv = Gaskonstante für Wasserdampf

= 461,3 J/kg · Kma = Masse der trockenen Luft (kg)mv = Masse des Wasserdampfes (kg)T = Temperatur der feuchten Luft (K)

1.5 Kompressorarten

1.5.1 Grundlagen

Es existieren zwei grundsätzlich verschiedeneMethoden zur Verdichtung von Luft oderanderen Gasen, das Verdrängerprinzip unddas Turboprinzip. Bei den Verdrängerkom-pressoren unterscheidet man zwischen Kol-ben- und unterschiedlichen Arten von Rota-tionsverdichtern. Sie sind die am häufigsteneingesetzten Kompressoren.

Bei einem Kolbenkompressor wird dieLuft in den Verdichtungsraum gesaugt und

Page 26: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

22

eingeschlossen. Anschließend wird das Volu-men des Raumes verringert und die Luft soverdichtet. Sobald der Druck mit dem Druckin der Druckluftleitung identisch ist, öffnetsich das Austrittsventil, und die Luft wird,bei gleich bleibendem Druck und sich weiterverringerndem Volumen des Verdichtungs-raumes, vom Kolben in die Leitung ge-schoben.

Bei Turbokompressoren strömt die ange-saugte Luft in ein mit hoher Drehzahlrotierendes Laufrad und wird dort starkbeschleunigt. Die Luft wird anschließend ineinen Diffusor geleitet, um die kinetischeEnergie in Druckenergie umzuwandeln. Esexistieren Turbokompressoren mit axialeroder mit radialer Strömungsrichtung. MitTurbokompressoren werden gewöhnlichgroße Volumenströme erzeugt.

1.5.2 Verdrängerkompressoren

Eine Fahrradluftpumpe ist die einfachsteForm eines Verdrängerkompressors. Von derPumpe wird Luft in einen Zylinder gesaugtund durch einen beweglichen Kolben ver-dichtet. Ein Kolbenkompressor arbeitet nachdemselben Prinzip und besteht aus einemsich in einem Zylinder vorwärts und rück-wärts bewegenden Kolben, einer Kolben-stange und einer Kurbelwelle. Wird nur eineSeite des Kolbens für die Verdichtung ver-wendet, wird der Kompressor als „einfachwirkend“ bezeichnet, bei Verwendung derOber- und Unterseite des Kolbens als „dop-pelt wirkend“. Der Unterschied zwischendem Ansaugdruck und dem Austrittsdruckgilt als Maß für die Belastung des Kom-pressors.

Das Druckverhältnis ist der Quotient ausAustrittsdruck und Ansaugdruck, jeweils an-

gegeben als Absolutdruck. Demgemäß besitztein Kompressor, der Umgebungsluft aus derAtmosphäre ansaugt und auf 7 bar Über-druck verdichtet, ein Druckverhältnis von(7+1) / 1 = 8.

1:13

Verdichtungsstufe eines einstufigen, einfachwirkenden Kolbenkompressors

Page 27: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

23

Das Bild zeigt die nach ihrem Arbeitsprinzip aufgeteilten, am häufigsten eingesetzten Kompressorarten.Andere Aufteilungen, z. B. nach Luft- oder Wasserkühlung oder nach stationären oder beweglichen

Anlagen, sind ebenfalls möglich.

1:14

Page 28: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

24

1.5.3 p/V-Diagramm von

Verdrängerkompressoren

Das Bild 1:15 zeigt das theoretische Verdich-tungsdiagramm eines Kolbenkompressors,während das Bild 1:16 den realen Zustand

1:16

Dies ist ein reales p/V-Diagramm einesKolbenkompressors. Der Druckverlust während derAnsaugung und der Überdruck beim Ausschieben

können durch eine effiziente Formgebung der Ventileverringert werden.

1:15

Dieses Diagramm beschreibt das Arbeitsprinzipeines Kolbenkompressors. Das p/V- Diagramm zeigt

einen Arbeitszyklus ohne Berücksichtigung vonVerlusten und mit vollständiger Füllung bzw.

Entleerung des Zylinders.

wiedergibt. Das Hubvolumen bestimmt sichdurch den Hub und die Oberfläche des Kol-bens. Das Totraumvolumen entsteht durchdas Restvolumen, das am höchsten Punkt derKolbenbahn aus mechanischen Gründen nochübrig bleiben muss, und dem notwendigenRaum für die Ventile.

Der Unterschied zwischen dem Hub-und dem Saugvolumen entsteht durch dievor der Ansaugung einsetzende Expansionder in dem Totraum verbliebenen Druckluft.Der Unterschied zwischen dem theoretischenund dem realen p/V-Diagramm entstehthauptsächlich durch die Bauart des Kom-pressors. Die Ventile eines Kolbenkompres-sors sind zum Beispiel niemals vollständigdicht, und es tritt immer eine Leckage zwi-schen Kolben und Zylinderwand auf. Zusätz-lich schließen und öffnen sich die Ventileimmer mit einer kleinen Verzögerung, so dassDruckverluste entstehen. Außerdem wird dieLuft beim Durchströmen der Kanäle er-wärmt.

Die Verdichtungsarbeit bei einer iso-thermen Verdichtung berechnet sich:W = p1 · V1 · ln (p2/p1)Die Verdichtungsarbeit bei einer isentropen Verdichtung berechnet sich:

W = · (p2 · V2 – p1 · V1)

W = Verdichtungsarbeit (J)p1 = Anfangsdruck (Pa)V1 = Anfangsvolumen (m3)p2 = Enddruck (Pa)κ = Isentropenexponent, in den

meisten Fällen κ ≈ 1,3 – 1,4

Diese Formeln zeigen, dass bei einer isen-tropen Verdichtung mehr Verdichtungsarbeiterforderlich ist als bei einer isothermen. Inder Realität liegt die erforderliche Arbeit zwischen diesen beiden Werten (κ ≈ 1,3–1,4).

κκ-1

Page 29: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

25

1.5.4 Turbokompressoren

Ein Turbokompressor ist ein Kompressor, beidem der erzeugte Druck proportional zurGasgeschwindigkeit ist. Das strömende Gaswird zuerst mit Hilfe von schnell rotierendenLaufrädern stark beschleunigt. Die kinetischeEnergie des Gases wird anschließend inDruckenergie verwandelt, indem das Gas-stark abgebremst und so komprimiert wird.In Abhängigkeit von der Hauptströmungs-richtung des Gases in Bezug auf die Rota-tionsachse werden diese Kompressoren alsaxiale oder radiale Turbokompressoren be-zeichnet.

Im Vergleich mit Verdrängerkompresso-ren weisen Turbokompressoren eine ganzbesondere Charakteristik auf, da schon kleineÄnderungen beim Betriebsüberdruck großeAuswirkungen auf den Volumenstrom habenkönnen. Siehe Bild 1:19.

Jede Drehzahl hat eine obere und eineuntere Volumenstromgrenze. Bei Erreichendes oberen Limits hat die Luftströmung dieSchallgeschwindigkeit erreicht. Das untereLimit bedeutet, dass der Gegendruck größergeworden ist als der vom Kompressor aufge-baute Druck und so eine Rückströmung ein-setzt. Dies führt zu Pulsationen, zusätzlichemSchall und der Gefahr von mechanischenSchäden.

1.5.5

Verdichtung in mehreren Stufen

Theoretisch kann Luft isentrop oder isothermverdichtet werden. Dies kann als reversiblerProzess betrachtet werden. Könnte dieDruckluft direkt nach der Verdichtung sofortverwendet werden, hätte eine isentrope Ver-dichtung einige Vorteile. In der Realität kanndie Luft jedoch nur selten ohne vorherigeAbkühlung eingesetzt werden. Daher wirdaus energetischen Gründen eine isothermeVerdichtung angestrebt.

Durch Kühlung der Luft bereits wäh-rend der Verdichtung wird versucht, diesemisothermen Prozess möglichst nahe zu kom-men. Wie viel man durch diese Kühlunggewinnen kann, zeigt die Verdichtung aufeinen Druck von 7 bar. Bei einer isentropenVerdichtung wäre insgesamt 37 % mehr Ener-gie erforderlich als bei einer isothermen Ver-dichtung.

Um die Erwärmung der Luft weitest-gehend zu reduzieren, wird die Verdichtungauf mehrere Stufen aufgeteilt. Nach jederStufe wird die Luft, vor dem Eintritt in dienächste Verdichtungsstufe, zuerst abgekühlt.

1:17

Radialer Turbokompressor

1:18

Der markierte Bereich stellt die durch die 2-stufigeVerdichtung eingesparte Energiemenge dar.

Page 30: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

26

Dies erhöht den Wirkungsgrad, da das Druck-verhältnis reduziert wird. Die Leistungsauf-nahme wird minimal, wenn jede Stufe das-selbe Druckverhältnis aufweist.

Je mehr Stufen der Verdichtungsvorgangaufweist, desto näher kommt man der iso-thermen Verdichtung. Jedoch gibt es eineökonomische Grenze für die maximale An-zahl der tatsächlich in einem Kompressorrealisierbaren Verdichtungsstufen.

1.5.6 Vergleich zwischen

Verdränger- und Turbokompressor

Die Volumenstromkurve eines Turbokom-pressors unterscheidet sich grundlegend voneiner vergleichbaren Kurve eines Verdränger-kompressors. Der Turbokompressor ist einKompressor mit einem sich veränderndenVolumenstrom bei nahezu konstantem Druck.Ein Verdrängerkompressor weist dagegeneinen nahezu konstanten Volumenstrom beiveränderbarem Druck auf.

Ein weiterer Unterschied ist der, dass einVerdrängerkompressor selbst bei niedrigenDrehzahlen ein höheres Druckverhältnis hatals ein schnell laufender Turbokompressor.Ein Turbokompressor ist für große Volumen-ströme besser geeignet.

1.6Elektrizität

1.6.1 Grundlagen und Definitionen

Ein Wechselstrom, der für Beleuchtungs-zwecke und für den Antrieb von Motoren ver-wendet werden kann, wechselt seine Stärkeund Richtung sinusförmig. Die Stromstärkewächst innerhalb einer Periode von null biszum Maximum, fällt wieder auf null, ändertdie Richtung, wächst wieder bis zum Maxi-malwert und wird wieder zu null. Die Perio-dendauer T wird in Sekunden angegeben.Die Frequenz f gibt die Anzahl der voll-ständigen Perioden pro Sekunde an.

f = 1/Tf = Frequenz (Hz)T = Zeitdauer einer Periode (s)

Wird über einen Strom oder eine Span-nung gesprochen, meint man gewöhnlich denEffektivwert. Bei einem sinusförmig verlau-fenden Strom oder Spannung errechnet sichder Effektivwert wie folgt:

Effektivwert =

Spannungen unter 50 V werden alsKleinspannung, Spannungen unter 1000 V alsNiederspannung und Spannungen über 1000V als Hochspannung bezeichnet. Standard-spannungen im 50-Hz-Netz sind 230/400 Vund 400/690 V.

1:19

Das Bild zeigt die Veränderungen von Druck undVolumenstrom bei konstanter Drehzahl, jeweils für

Turbo- und Verdrängerkompressoren

2Maximalwert

Page 31: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

27

1.6.2 Das ohmsche Gesetz

für Wechselstrom

Fließt ein Wechselstrom durch eine Spule, er-zeugt dieser ein magnetisches Feld. Das Feldändert seine Stärke und Richtung in der-selben Art und Weise wie der Strom. Bei jederVeränderung des Feldes wird eine Spannungin der Spule induziert. Diese Spannung istentgegen der angeschlossenen Spannung ge-richtet. Dieser Effekt wird als Selbstinduktionbezeichnet.

Selbstinduktion in einem Wechselstrom-netz führt zu einer Phasenverschiebung zwi-schen Strom und Spannung und zu eineminduktiven Spannungsabfall. Der Widerstandder Spule bei Wechselstrom ist daher an-scheinend größer als vorher errechnet oderals mit Gleichstrom gemessen wurde.

1:20

Sinusförmiger Spannungsverlauf bei 50 Hz

Die Phasenverschiebung zwischen Stromund Spannung wird durch den Winkel j an-gegeben. Der induktive Widerstand (Blind-widerstand) wird durch X und der ohmscheWiderstand durch R angegeben. Der Schein-widerstand wird mit Z bezeichnet. Für denWiderstand gilt:

Z = (R2 + X2)

Z = Scheinwiderstand (Ω)R = Ohmscher Widerstand (Ω)X = Blindwiderstand (Ω)

Das ohmsche Gesetz für Wechselstrom lautet:

U = I · Z

U = Spannung (V)I = Strom (A)Z = Scheinwiderstand (Ω)

1:22

Das Bild zeigt verschiedene Anschlussmöglichkeiten für 3-Phasen-Systeme. Die Spannung zwischen zwei Phasen wirdals Hauptspannung (Uh) bezeichnet. Die Spannung zwischen einer Phase und dem Mittelpunktleiter wird als Phasen-

spannung bezeichnet. Phasenspannung = Hauptspannung / 3

1:21

Beziehung zwischen Blindwiderstand (X) –ohmscher Widerstand (R) – Scheinwiderstand (Z) –

Phasenverschiebung (ϕ).

Page 32: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

28

1.6.3 Drehstrom

Drehstrom wird durch einen Generator mitdrei verschiedenen Wicklungen erzeugt. Diesinusförmigen Spannungsverläufe sind umjeweils 120° zueinander verschoben.

Maschinen können unterschiedlich anein Drehstromnetz angeschlossen werden. EinEin-Phasen-System kann an eine Phase undden Mittelpunktleiter angeschlossen werden.Ein Drei-Phasen-System kann im Stern (Y)oder im Dreieck (∆) angeschlossen werden.Beim Sternanschluss liegt die Phasenspan-nung und beim Dreieckanschluss die Haupt-spannung zwischen den Ausgangsklemmen.

1.6.4 Leistung

Die Wirkleistung P kann zur Verrichtung vonArbeit verwendet werden, während die Blind-leistung Q dagegen nutzlos ist und nicht zurVerrichtung von Arbeit benutzt werden kann.Die Scheinleistung S ist die Leistung, die ausdem Stromnetz bezogen werden muss, umdie Wirkleistung anwenden zu können. DieBeziehung zwischen Wirk-, Blind- und Schein-leistung wird gewöhnlich im Leistungsdrei-eck dargestellt.

Es gelten folgende Regeln:

Ein-Phasen-Systeme:P = U · I · cosϕQ = U · I · sinϕS = U · Icos ϕ = P / S

Drei-Phasen-Systeme:P = 3 · Uh · I · cosϕQ = 3 · Uh · I · sinϕS = 3 · Uh · I cosϕ = P / S

U = Spannung (V)Uh = Hauptspannung (V)Uf = Phasenspannung (V)I = Strom (A)Ih = Hauptstrom (A)If = Phasenstrom (A)P = Wirkleistung (W)Q = Blindleistung (VA)S = Scheinleistung (VA)ϕ = Phasenwinkelcosϕ = Leistungsfaktor

1:24

Die Verschiebungen zwischen den einzelnen Generatorwicklungen erzeugen einen sinusförmigen Spannungsverlauf.Die Maximalwerte sind um denselben Winkel wie die Wicklungen zueinander verschoben.

1:23

Beziehung zwischen Scheinleistung (S),Blindleistung (Q) und Wirkleistung (P). Der Winkel ϕ

zwischen S und P ergibt den Leistungsfaktor cosϕ.

Page 33: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

29

1.6.5 Elektromotoren

Der am häufigsten verwendete Elektromotorist ein Drei-Phasen-Motor mit Kurzschluss-läufer. Dieser Motortyp wird überall ver-wendet. Leise und zuverlässig treibt dieserMotortyp viele verschiedene Maschinen undauch Kompressoren an. Der Motor bestehtaus zwei Hauptkomponenten, dem fest ste-henden Käfig und dem rotierenden Läufer.Der Käfig erzeugt ein rotierendes Magnet-feld, während der Läufer die Energie wiederin kinetische Energie umsetzt.

Der Käfig wird mit dem Drei-Phasen-Stromnetz verbunden. Der Stromfluss in denWicklungen des Käfigs führt zu einem rotie-renden Magnetfeld, das wiederum einenStromfluss im Läufer erzeugt und so eben-falls ein Magnetfeld aufbaut. Die Wechsel-wirkung zwischen den beiden Magnetfeldernerzeugt ein Drehmoment, das die Läufer-welle antreibt.

1.6.5.1 Drehzahl

Wenn der Läufer mit derselben Geschwindig-keit rotiert wie das magnetische Feld desKäfigs, wird der im Läufer induzierte Stromzu null. Jedoch ist dies in der Realität aufGrund von Verlusten in den Lagern unmög-lich, und die Drehzahl des Käfigs ist daherimmer 1 bis 5 % niedriger als die Drehzahldes Magnetfeldes. Die Synchrondrehzahl er-rechnet sich:

n = 2 · f · 60/p

n = Synchrondrehzahl (1/min)f = Netzfrequenz (Hz)p = Polzahl

1.6.5.2 Wirkungsgrade

Eine Energieumwandlung in einem Motorfindet nie ohne Verluste statt. Es entstehenunter anderem Verluste durch den elektri-

schen Widerstand, bei der Magnetisierung,durch die Ventilation und durch Reibung.Der Wirkungsgrad errechnet sich:

η =

η = WirkungsgradP2 = Wellenleistung (W)P1 = zugeführte Leistung (W)

Auf dem Typenschild des Motors wirdimmer die Wellenleistung P2 angegeben.

1.6.5.3 Isolationsklassen

Bei den Isolationsklassen von Motorenwick-lungen wird gem. der IEC 85 (InternationaleElektrotechnische Kommission) unterschie-den. Ein Buchstabe steht für die Temperatur,die als obere Grenze für die jeweilige Isola-tionsklasse festgelegt wurde. Wird diese Tem-peratur nur um 10 °C überschritten, halbiertsich die Lebensdauer der Wicklung und damitdes Motors.

1.6.5.4 Schutzklassen

Die Schutzklassen gem. IEC 34-5 geben an,inwieweit der Motor gegen äußere Einflüssegeschützt ist. Dies wird mit den BuchstabenIP und zwei Zahlen angegeben. Die ersteZahl gibt den Schutzgrad gegen das Eindrin-gen von festen Körpern an, während diezweite Zahl den Schutz vor Wasser beschreibt.Zum Beispiel bedeutet IP 23: (2) geschütztgegen feste Objekte größer als 12 mm, (3)geschützt gegen Wasserspritzer aus Rich-tungen bis zu 60° gegenüber der Vertikalen.

P2

P1

Page 34: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

30

IP 54: (5) geschützt gegen Staub, (4) geschütztgegen Wasserspritzer aus allen Richtungen.IP 55: (5) geschützt gegen Staub, (5) geschütztgegen Wasserstrahlen aus allen Richtungen.

1.6.5.5 Kühlmethoden

Kühlangaben nach IEC 34-6 geben an, wieder Motor gekühlt wird. Dies geschieht durchAngabe der Buchstaben IC und zweierZahlen. IC 01 bedeutet zum Beispiel: freieZirkulation, eigene Ventilation. IC 41: Kühl-kammern, eigene Ventilation.

1.6.5.6 Bauarten

Angaben nach IEC 34-7 geben die Bauart desMotors an. Diese wird durch die BuchstabenIM und vier Zahlen beschrieben. Zum Bei-spiel bedeutet IM 1001: 2 Lager, freies Wellen-ende, Käfiggehäuse mit Füßen. IM 3001: zweiLager, freies Wellenende, Käfiggehäuse mitFüßen, großer Flansch.

1.6.5.7

Stern(Y)- und Dreieck(∆)-Anschluss

Ein Drei-Phasen-Elektromotor kann im Stern(Y) oder Dreieck (∆) an das Stromnetz ange-schlossen werden. Die drei Phasen des Motors

1:25

Dieses Bild zeigt die einzelnen imStern an ein 690-V-Netz

angeschlossenen Motorwicklungen.Das rechte Bild zeigt die Belegung

der einzelnen Motorklemmen.

werden als U, V und W (U1-U2; V1-V2;W1-W2) bezeichnet. Beim Sternanschlusswerden die Enden der Motorwicklungen sozusammengeführt, dass sich ein Mittelpunktbildet, der wie ein Stern aussieht.

Die Phasenspannung (Phasenspannung =Hauptspannung / 3; zum Beispiel 400 V =690 V / 3) liegt zwischen den einzelnenWicklungen. Der Strom Ih fließt durch dieWicklungen in Richtung des Mittelpunktesund wird als Phasenstrom bezeichnet.

Beim Dreieckanschluss werden die An-fänge und Enden der einzelnen Phasen ver-bunden und bilden ein Dreieck. Zwischenden Wicklungen liegt die Hauptspannung.Der in den Motor fließende Strom Ih ist derHauptstrom und teilt sich auf die einzelnenWicklungen auf und erzeugt so den Phasen-strom, Ih/ 3 = If. Derselbe Motor kann ent-weder an 690 V im Stern oder an 400 V imDreieck angeschlossen werden. In beidenFällen beträgt die Spannung zwischen deneinzelnen Wicklungen 400 V. Der Strom istbei einem Anschluss an 690 V im Stern niedri-ger als bei 400 V im Dreieck. Das Verhältniszwischen den beiden Strömen ist 3.

Page 35: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

31

Auf dem Typenschild des Motors kannzum Beispiel 690/400 V angegeben werden.Dies bedeutet, dass der Motor im Stern an diehöhere Spannung und im Dreieck an dieniedrigere Spannung angeschlossen werden

1:26

Dieses Bild zeigt die einzelnen im Dreieck an ein 400-V-Netz angeschlossenen Motorwicklungen.Das rechte Bild zeigt die Belegung der einzelnen Motorklemmen.

kann. Bei einer Stromangabe auf dem Typen-schild steht der niedrigere Wert für denStern- und der höhere Wert für den Dreieck-Anschluss.

1:27

Die einzelnen Phasen des Netzes L1, L2 und L3 werden im Klemmkasten des Motors mit den einzelnen WicklungenU, V und W verbunden. Im Normalfall rotiert der Motor, gesehen auf die Antriebswelle D, im Uhrzeigersinn.

Um den Motor entgegen dem Uhrzeigersinn rotieren zu lassen, müssen lediglich zwei Klemmen gelöst und vertauschtwerden. Dabei ist auf die korrekte Drehrichtung des Lüfterrades zu achten.

D

Page 36: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

32

1.6.5.8 Drehmoment

Das Drehmoment eines Elektromotors wirddurch die Läufereigenschaften bestimmt.Jeder Motor besitzt ein maximales Drehmo-ment. Eine Belastung, die ein noch höheresDrehmoment erfordert, führt dazu, dass derMotor nicht genügend Kraft besitzt, um zurotieren. Bei normaler Belastung läuft derMotor immer unter dem maximalen Drehmo-ment. Während der Startphase ist ein höheres

1:28

Das Bild zeigt die Drehmomentkurve für einen Elektromotor mit Kurzschlussläufer. Beim Motorstart ist das Drehmomenthoch, während der Beschleunigung fällt es leicht und steigt dann auf den Maximalwert, um anschließend schnell zu fallen.

M = Drehmoment, Mst = Startmoment, Mmax = maximales Drehmoment (Kippmoment), Mmin = minimalesDrehmoment (Sattelmoment), Mn = Nennmoment.

1:29

Drehmomentkurve eines im Stern/Dreieck gestarteten Elektromotors und Drehmomentkurve eines Schraubenkompressors.Der Kompressor läuft während der Stern-Phase entlastet. Wenn die Drehzahl 90 bis 95 % der Nenndrehzahl erreicht hat,

wird auf den Dreieck-Anschluss umgeschaltet, das Drehmoment steigt, der Kompressor wird belastet und läuftanschließend im vorgesehenen Betriebspunkt.

Drehmoment erforderlich. Die Motorcharak-teristik wird in Drehmomentkurven ange-geben.

Page 37: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

Kapitel 2 Kompressorenund Zubehör

Page 38: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

34

2.1Verdränger-

kompressoren

2.1.1 Verdrängerkompressorenim Allgemeinen

Ein Verdrängerkompressor schließt ein Volu-men ein und erhöht den Druck durch Verklei-nerung dieses Volumens.

2.1.2 Kolbenkompressoren

Ein Kolbenkompressor ist der älteste und amhäufigsten eingesetzte Kompressortyp. Esgibt ihn einfach oder doppelt wirkend, ölge-schmiert oder ölfrei und mit verschiedenerZylinderanzahl in unterschiedlichen Anord-nungen. Mit Ausnahme von sehr kleinenKompressoren mit vertikalen Zylindern istdie V-Anordnung bei Kolbenkompressorendie gebräuchlichste Bauart.

Bei doppelt wirkenden, großen Kolben-kompressoren bietet die waagerechte Anord-nung der Zylinder die größten Vorteile.

2:1

Kolbenkompressor

Page 39: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

35

Ölgeschmierte Kompressoren arbeiten ge-wöhnlich mit einer Spritz- oder Druck-schmierung. Die meisten Kompressoren be-

sitzen selbstständig arbeitende Ventile. DieseVentile öffnen und schließen auf Grund derauftretenden Druckunterschiede.

2:2

Beispiele von Zylinderanordnungen bei Kolbenkompressoren

Page 40: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

36

2:3

Kolbenkompressor mit einem aus zwei Edelstahl-scheiben bestehenden Ventilsystem

Bei abwärts gerichteter Kolbenbewegung wölbt sichdie größere Scheibe nach unten und lässt Luft in den

Verdichtungsraum strömen.

Bei aufwärts gerichteter Kolbenbewegung verschließtdie größere Scheibe die Zuluftöffnung, während die

kleinere Scheibe sich nach oben wölbt, die Ausschub-öffnung freigibt und die Luft ausgeschoben wird.

2:4

Doppelt wirkender, ölfreier Kolbenkompressormit Labyrinthabdichtung und Kreuzkopf

1. Kreuzkopf2. Führungslager3. Ölabstreifring4. Ölabwurfring5. Stopfbuchse6. Ventil

Page 41: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

37

2.1.3 Ölfreie Kolbenkompressoren

Ölfreie Kolbenkompressoren besitzen Kolben-ringe aus Teflon. Größere Maschinen werdenmit einem Kreuzkopf und belüfteten Stopf-buchsen ausgestattet, um zu verhindern, dassÖl aus dem Kurbelwellengehäuse in denVerdichtungsraum gelangt. Kleinere Kom-pressoren besitzen oft bereits für die gesamteLebensdauer des Kompressors abgeschmierteKurbelwellenlager.

2.1.4 Membrankompressoren

Membrankompressoren bilden eine weitereKompressorenart. Die Membrane wird ent-weder mechanisch oder hydraulisch ange-trieben. Die mechanisch angetriebenen Kom-pressoren werden für kleine Volumenströmeund niedrige Drücke oder als Vakuumpumpeeingesetzt. Die hydraulisch angetriebenenKompressoren werden für höhere Drückeverwendet.

2.1.5 Schraubenkompressoren

Das Prinzip eines rotierenden Verdränger-kompressors mit einem „Kolben“ in Schrau-benform wurde bereits in den dreißigerJahren entwickelt. Damals wurden Kompres-soren mit einem großen und möglichst kon-

stanten Volumenstrom bei unterschiedlichs-ten Betriebszuständen benötigt.

Die Hauptbestandteile eines Schrauben-elementes sind der Haupt- und der Neben-läufer. Diese schließen zusammen mit demGehäuse ein Volumen ein, verkleinern diesesdurch die Rotation, verdichten so die dortenthaltene Luft und schieben diese Luft an-schließend aus. Jedes Schraubenelement be-sitzt ein durch seine Konstruktion festgeleg-tes Druckverhältnis, das von seiner Länge,der Steigung der Schraube und der Positionund Form der Austrittsöffnung abhängt. Umeinen sehr guten Wirkungsgrad zu erzielen,muss das Druckverhältnis dem Betriebsüber-druck angepasst werden.

Ein Schraubenkompressor besitzt keineVentile und hat keine unausgeglichenenMassenkräfte. Dies bedeutet, dass ein Schrau-benkompressor mit hohen Drehzahlen betrie-ben werden kann und so, trotz geringer Ab-messungen, hohe Volumenströme möglichsind. Eine vom Druckunterschied zwischenEin- und Austritt erzeugte axial wirkendeKraft wird von den Lagern aufgenommen.Neben dem ursprünglich symmetrischenSchraubenprofil existieren mittlerweile auchverschiedene asymmetrische Profile.

2:5

Schnittbild durch einenMembrankompressor, miteiner von einer Kurbelwelleund Verbindungsstangeangetriebenen Membrane

Page 42: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

38

2:6

Das Bild zeigt den Verdichtungsvorgang in einem Schraubenelement. Zuerst füllt sich der Raum zwischen denRotoren mit Luft. Anschließend wird durch die Rotation dieses Volumen immer weiter verkleinert.

Ölgeschmiertes Schraubenelement

2:7

1 2

3 4

Page 43: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

39

2.1.5.1Ölfreie Schraubenkompressoren

Der erste Schraubenkompressor hatte einsymmetrisches Profil und kam ohne Flüssig-keit im Verdichtungsraum aus und wurdedaher als ölfreier bzw. trocken laufenderSchraubenkompressor bezeichnet. Ende dersechziger Jahre wurde dann der erste ölfreieSchraubenkompressor mit asymmetrischemProfil vorgestellt. Dieses neue Schrauben-profil besaß einen verbesserten Wirkungs-grad bei gleichzeitig verringerten Leckage-verlusten.

Bei trocken laufenden Schraubenkom-pressoren wird immer ein Synchrongetriebefür den Antrieb des Nebenläufers benötigt.Da die Rotoren sich weder untereinander be-rühren noch mit dem Gehäuse in Kontakt tre-ten, wird auch kein Schmiermittel im Ver-dichtungsraum benötigt. Aus diesem Grundist auch die verdichtete Luft vollständig

ölfrei. Die Läufer und das Gehäuse werdenmit größter Präzision hergestellt, umLeckagen von der Druck- zur Saugseite mög-lichst zu vermeiden. Das eingebaute Druck-verhältnis wird durch den entstehendenTemperaturunterschied zwischen der Ein-und Austrittsseite begrenzt. Aus diesemGrunde weisen ölfrei verdichtende Schrau-benkompressoren meist mehrere Verdich-tungsstufen auf.

2.1.5.2 Flüssigkeits-gekühlte Schraubenkompressoren

Ein flüssigkeitsgekühlter Schraubenkompres-sor wird von der Flüssigkeit, die in denVerdichtungsraum und auf die Lager ge-spritzt wird, gekühlt und gleichzeitig ge-schmiert. Neben dem Kühl- und Schmier-effekt werden durch die Flüssigkeit zusätz-lich die Rückströmverluste im Element re-duziert.

2:8

Ölfreies Schraubenelement. Haupt- und Nebenläufer befinden sich in einem wassergekühlten Gehäuse. Der vordereRotor mit vier Zähnen bildet den Hauptrotor und ist mit dem Getriebe verbunden. Der hintere Rotor mit sechs Zähnenist der Nebenläufer und wird vom Synchrongetriebe auf der linken Seite angetrieben. Beide Läufer berühren sich nicht.

Page 44: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

40

Auf Grund der guten Schmiereigenschaftenwird meistens Mineralöl für diese Aufgabeverwendet. Es werden jedoch auch Versuchemit anderen Flüssigkeiten, wie zum BeispielWasser, durchgeführt. FlüssigkeitsgekühlteSchraubenkompressoren werden für hohe

Druckverhältnisse entwickelt. Dies ist auchder Grund, warum eine einzelne Verdich-tungsstufe ausreicht, um Drücke bis 13 bar zuerzeugen. Die relativ niedrigen Rückstrom-verluste führen dazu, dass auch kleine Schrau-benkompressoren wirtschaftlich arbeiten.

2:9

2:10

Öleingespritzter Schraubenkompressor

Ölfrei verdichtender Schraubenkompressor

Page 45: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

41

2.1.6 Drehzahnkompressoren

Das Verdichtungselement eines Drehzahn-kompressors besteht aus zwei Rotoren, diegegenläufig in einem Gehäuse rotieren.

Der Verdichtungsvorgang besteht dabeiaus Ansaugung, Verdichtung und Ausschub.Während der Ansaugphase wird so langeLuft in den Verdichtungsraum gesogen, biseiner der Rotoren die Ansaugöffnung ver-schließt. Während der Verdichtung befindetsich die Luft im Verdichtungsraum, der durchdie Rotation der Rotoren kontinuierlich ver-kleinert wird.

Die Austrittsöffnung wird während derVerdichtung durch einen Rotor verschlossen.Gleichzeitig ist die Ansaugöffnung bereits

wieder geöffnet, um die gegenüberliegendeSeite der Verdichtungskammer wieder mitLuft zu füllen. Sobald der Rotor die Aus-trittsöffnung freigibt, wird die verdichteteLuft aus dem Verdichtungsraum ausgescho-ben. Ein- und Austritt finden radial statt. Dieserlaubt den Einsatz von einfachen Kugel-lagern und verbessert die Füllung des Ver-dichtungsraumes.

Beide Rotoren werden über ein Getriebesynchronisiert. Das von einem Drehzahn-kompressor maximal erreichbare Druckver-hältnis beträgt 4,5. Um höhere Drücke zuerreichen, werden daher mehrere Verdich-tungsstufen benötigt.

2.1.7 Scrollkompressoren

Ein Scrollkompressor ist ein rotierender Ver-drängerkompressor, der Luft durch Verklei-nerung des Volumens verdichtet. Das Ver-dichtungselement besteht aus einer in einemGehäuse fest stehenden Spirale und einerzweiten, von einem Motor angetriebenen,beweglichen Spirale. Die Spiralen werden mit180° Phasenverschiebung zueinander mon-tiert, um so mehrere Lufttaschen mit verän-derbarem Volumen zu bilden.

2:11

2:12

Rotoren einesDrehzahnkompressors

Page 46: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

42

Diese Bauart führt zu einem radial sta-bilen Verdichtungselement. Leckagen werdenminimiert, da die Druckdifferenzen zwischenden einzelnen Lufttaschen niedriger ausfallenals zwischen Ein- und Austritt.

Die bewegliche Spirale wird durch eineKurbelwelle mit kleinem Hub angetriebenund läuft exzentrisch um die Mitte der festenSpirale herum. Die Ansaugöffnung befindetsich auf der Oberseite des Gehäuses.

Sobald die bewegliche Spirale gegen denUhrzeigersinn rotiert, wird Luft angesaugt

und in einer der Lufttaschen eingeschlossen.Durch die weitere Rotation wird diese Luft-tasche verkleinert und die Luft in das Zen-trum befördert, wo sich die Austrittsöffnungund ein Rückschlagventil befinden. Für dengesamten Verdichtungsvorgang werden 2,5Umdrehungen benötigt. Dies ergibt einenkontinuierlichen und pulsationsfreien Volu-menstrom. Die Verdichtung findet relativleise und vibrationsarm statt, da das Scroll-element, im Gegensatz zu einem Kolben-kompressor, so gut wie keine Drehmoment-schwankungen der Antriebswelle kennt.

2:13

Schnittbild eines Scrollkompressors

Page 47: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

43

2.1.8 Rotationskompressoren

Das Arbeitsprinzip eines Rotationskompres-sors ist mit dem eines Druckluftmotors ver-gleichbar. Die Kompressoren sind gewöhn-lich ölgeschmiert.

Ein Rotor, mit radial beweglichen Schaufeln,wird exzentrisch in einem Gehäuse angeord-net. Sobald die Rotation einsetzt, werden dieSchaufeln durch die Zentrifugalkraft gegendas Gehäuse gedrückt. Bei zunehmendemAbstand zwischen Rotor und Gehäuse wirddie Luft angesaugt und in mehreren Luft-kammern eingeschlossen. Durch Verkleine-rung des Volumens wird die Luft verdichtetund bei Erreichen der Auslassöffnung ausge-schoben.

2.1.9 Flüssigkeitsringkompressor

Ein Flüssigkeitsringkompressor ist ein Ver-drängerkompressor mit fest eingebautemDruckverhältnis. Der Rotor besitzt festeSchaufeln und wird exzentrisch im Inneren

eines Gehäuses montiert, das teilweise miteiner Flüssigkeit gefüllt ist. Durch die Rota-tion verteilen die Schaufeln die Flüssigkeit,und es entsteht durch die Zentrifugalkrafteine ringförmige Verteilung der Flüssigkeitim Gehäuse. Der Flüssigkeitsring liegt dabeiexzentrisch zum Gehäuse, da dieses eineovale Form besitzt. Das Volumen zwischenden einzelnen Schaufeln ändert sich zyklisch.Der Kompressor wird gewöhnlich mit zweisymmetrischen gegenüberliegenden Verdich-tungsräumen ausgestattet, um radiale Lager-kräfte zu vermeiden.

Die Kühlung in einem Flüssigkeitsring-kompressor findet durch den direktenKontakt zwischen Luft und Flüssigkeit statt.Die Erwärmung der verdichteten Luft fälltdaher sehr gering aus. Jedoch fallen die Ver-luste auf Grund der Viskosität der Flüssigkeitrecht hoch aus. Die Luft sättigt sich währendder Verdichtung mit der Flüssigkeit. Diese istgewöhnlich Wasser. Es können jedoch auch

2:14

Arbeitsprinzip eines Scrollkompressors

2:15

2:16

Page 48: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

44

andere Flüssigkeiten verwendet werden, umzum Beispiel bestimmte Gasanteile währendder Verdichtung zu absorbieren oder um denKompressor bei der Verdichtung von aggres-siven Medien vor Korrosion zu schützen.

2.1.10 Gebläse

Ein Gebläse ist kein Kompressor, da es ohneeine innere Verdichtung arbeitet. Wenn derVerdichtungsraum sich zur Druckseite öffnet,strömt zuerst verdichtete Druckluft in denRaum hinein. Die Verdichtung findet erst beider weiteren Rotation statt, wenn das Volu-men der Kammer kontinuierlich verkleinertwird. Die Verdichtung findet damit bei vol-lem Gegendruck statt, was zu einem hohenSchalldruck und zu einem schlechten Wir-kungsgrad führt.

Zwei identische, normalerweise symme-trische, gegenläufige Rotoren arbeiten zusam-men in einem zylindrischen Gehäuse. DieRotoren werden von einem Getriebe synchro-nisiert. Gebläse sind normalerweise luftge-kühlt und arbeiten ölfrei. Der niedrige Wir-kungsgrad begrenzt die Einsatzmöglichkeitenvon Gebläsen auf Niederdruckanwendun-gen. Meistens wird nur eine einzige Verdich-tungsstufe eingesetzt, es gibt aber auch zwei-oder dreistufige Gebläse. Gebläse werden oftals Vakuumpumpen und für die pneumati-sche Förderung verwendet.

2.2Turbokompressoren

2.2.1 Turbokompressorenim Allgemeinen

Turbokompressoren gibt es sowohl mit axia-ler als auch mit radialer Durchströmungs-richtung. Anders als ein Verdrängerkom-pressor, der einen konstanten Volumenstromhat, arbeitet ein Turbokompressor immer mit

2:17

Arbeitsprinzip eines Gebläses

A

A

B

A

B

A

B

B

Page 49: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

45

2:18

Dreistufiger radialer Turbokompressor

einem konstanten Druck. Die Leistung einesTurbokompressors kann durch äußere Ein-flüsse stark beeinträchtigt werden. So hatzum Beispiel eine kleine Änderung des An-saugdruckes eine deutliche Veränderung desVolumenstromes zur Folge.

2.2.2 Radiale Turbokompressoren

Ein radialer Turbokompressor wird durch dieradiale Strömungsrichtung der Luft charakte-risiert. Die Luft wird im Zentrum des Lauf-rades angesaugt und von den radial angeord-neten Schaufeln stark nach außen beschleu-nigt. Bevor die Luft in das nächste Laufradströmt, passiert diese einen Diffusor, um dieLuft abzubremsen und so die kinetischeEnergie in Druckenergie umzuwandeln.

Das Druckverhältnis jeder Stufe wirddurch den Enddruck des Kompressors be-

stimmt. Die Lufttemperatur am Eintritt injede Stufe hat einen entscheidenden Einflussauf den Leistungsbedarf des Kompressors.Daher wird immer ein Zwischenkühler zwi-schen den Stufen eingesetzt. Radiale Turbo-kompressoren können bis zu 6 Stufen habenund Drücke bis zu 25 bar erzeugen. DieLaufräder können entweder offen oder ge-schlossen gestaltet werden. Für die Luftver-dichtung wird jedoch meistens die offeneVersion gewählt. Die Laufräder werden ge-wöhnlich aus einer Edelstahllegierung oderaus Aluminium hergestellt. Die Drehzahlenliegen zwischen 15.000 und 100.000 1/minund sind, verglichen mit anderen Kompres-soren, sehr hoch.

Dies führt dazu, dass die Welle in Gleit-und nicht in Wälzlagern gelagert wird. Wälz-lager können nur bei einstufigen Turbokom-

Page 50: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

46

pressoren und niedrigem Druckverhältnisverwendet werden.

Häufig werden bei mehrstufigen Kom-pressoren zwei Laufräder auf einer gemein-samen Welle montiert, um so die durch dieDruckunterschiede entstehenden Axialkräfteauszugleichen. Der kleinstmögliche Volumen-strom eines Turbokompressors wird in ersterLinie durch die Auslegung der letzten Stufebestimmt. In der Praxis hat sich ein Wert von160 l/s bewährt.

Jeder Turbokompressor muss ausrei-chend abgedichtet werden, um Leckagenzwischen der Welle und dem Gehäuse weit-gehend zu vermeiden. Zu diesem Zweckstehen viele verschiedene Dichtungstypenzur Verfügung. Die aufwendigsten Dichtun-gen werden bei Kompressoren mit hohenDrehzahlen und hohen Drücken eingesetzt.Die vier gebräuchlichsten Typen sind dieLabyrinthdichtung, die Ringdichtung (beste-hend aus Teflon, das trocken oder mit einemSchmiermittel eingesetzt wird), die mechani-sche Dichtung und die hydrostatische Dich-tung.

2.2.3 Axiale Turbokompressoren

Ein axialer Kompressor hat eine axiale

Strömungsrichtung. Die Luft fließt parallel

zur Welle durch verschiedene rotierende und

feste Laufräder. Auf diese Weise wird die

Geschwindigkeit der Luft immer wieder

durch die rotierenden Räder erhöht, während

die festen Räder diese Geschwindigkeit in

Druck umwandeln.

Der kleinstmögliche Volumenstrom eines

solchen Kompressors liegt bei ca. 15 m3/s.

Meistens ist der Einbau einer Ausgleichs-

kammer erforderlich, um die entstehenden

axialen Kräfte auszugleichen.

Axiale Turbokompressoren sind gewöhn-

lich kleiner als vergleichbare radiale Turbo-

kompressoren und arbeiten mit einer um

ca. 25 % höheren Drehzahl. Sie werden für

große, konstante Volumenströme und relativ

niedrigen Druck gebaut. Mit Ausnahme von

Gasturbinen ist das Druckverhältnis selten

größer als 6. Volumenströme in Höhe von

65 m3/s und Drücke bis zu 14 bar(e) sind

möglich.

Axialer Turbokompressor

2:19

Page 51: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

47

2.3Andere

Kompressorenarten

2.3.1 Vakuumpumpen

Ein Vakuum liegt vor, wenn der Druck nied-riger ist als der atmosphärische Druck. EineVakuumpumpe ist daher ein Kompressor, derin diesem Druckbereich arbeitet. Ein typi-sches Merkmal von Vakuumpumpen ist dassehr hohe Druckverhältnis, das meist durchmehrstufige Maschinen erzeugt wird. Mehr-stufige Kompressoren können daher auch alsVakuumpumpen, im Druckbereich zwischen1 bar(a) und 0,1 bar(a), verwendet werden.

2.3.2 Nachverdichter (Booster)

Ein Nachverdichter ist ein Kompressor, derbereits verdichtete Luft ansaugt und aufeinen höheren Druck nachverdichtet. Er wirdverwendet, um den Druckverlust in langenPipelines auszugleichen oder bei Anwendun-gen, die nur einen Teilstrom mit hohemDruck erfordern. Verwendet werden ein-

oder mehrstufige Turbo- oder Verdränger-kompressoren. Der Kolbenkompressor istjedoch der am häufigsten eingesetzte Kom-pressor für diese Anwendung. Der Leistungs-bedarf eines Nachverdichters steigt mit zu-nehmendem Druckverhältnis, während derMassenstrom fällt. Die Leistungsbedarfs-kurve ist daher eine Funktion des Ansaug-druckes und hat dieselbe Form wie die Kurveeiner Vakuumpumpe.

2:20

Arbeitsbereich verschiedener Vakuumpumpen

2:21

Leistungsbedarf eines Nachverdichtersbei einem Enddruck von 8 bar

Page 52: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

48

2.3.3. Druckerhöher

Druckerhöher erhöhen den Druck einesGases. Dies wird zum Testen von Ventilen,Rohren oder Schläuchen benötigt. Ein Aus-gangsdruck von 7 bar kann mit einem einstu-figen Druckerhöher auf 200 bar oder in mehr-stufigen Anlagen auf bis zu 1700 bar erhöhtwerden. Druckerhöher werden nur für sehrkleine Volumenströme eingesetzt.

Wenn der Verdichtungsraum gefüllt ist,befindet sich der Niederdruckkolben in deroberen Position. Sobald das Treibmittel ein-strömt, wird der Kolben heruntergedrücktund zwingt das Gas, unter hohem Druck aus-zuströmen. Der Druckerhöher kann so langebetrieben werden, bis ein bestimmter End-druck erreicht wird. Alle nicht explosivenGase können in einem Druckerhöher aufdiese Weise verdichtet werden. Auch Luftkann so komprimiert werden, muss aber indiesem Fall vollständig ölfrei sein, umeine Selbstentzündung auszuschließen.

2.4Aufbereitung von

Druckluft

2.4.1 Trocknen von Druckluft

Atmosphärische Luft enthält meistens beihöheren Temperaturen viel und bei niedrigenTemperaturen weniger Wasserdampf. Wirddiese Luft verdichtet, steigt die Wasser-dampfkonzentration weiter an. Ein Kompres-sor mit einem Volumenstrom von 200 l/ssaugt in 8 Stunden zusammen mit der Luftinsgesamt 80 Liter Wasserdampf an unddrückt diese in das Druckluftnetz (Ansaug-bedingungen: 20 °C, 80 % relative Feuchtig-keit). Der Begriff des Drucktaupunktes (DTP)wird verwendet, um den Wassergehalt derDruckluft zu beschreiben. Er gibt die Tempe-ratur an, bei der Wasserdampf zu kondensie-ren beginnt. Ein niedriger Drucktaupunktweist immer auf einen niedrigen Wasserge-halt der Druckluft hin.

Es ist wichtig zu wissen, dass der atmos-phärische Taupunkt nicht mit dem Drucktau-punkt verglichen werden darf. Entspanntman Druckluft mit einem Drucktaupunktvon +2 °C und einem Druck von 7 bar, hatdiese Luft nach der Entspannung einen

2:22

1. Treibmittel2. Niederdruckkolben3. Hochdruckkolben4. Abdichtung5. Verdichtungsraum6. Einlass7. Auslass

Schnittbild eineseinstufigen Druckerhöhers

Page 53: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

49

2:23

Ein Kompressor mit einem Volumenstrom von 200 l/s drückt zusammen mit der Luft 240 l Wasserdampf pro Tag indas Druckluftnetz (Ansaugbedingungen: 20 °C, 80 % r. F.). Um Störungen und Probleme bei angeschlossenen Druck-

luftverbrauchern durch Kondensation im Druckluftnetz zu vermeiden, muss die Luft getrocknet werden.Dieses findet im Nachkühler und im Trockner statt.

2:24

Das Bild zeigt den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Drucktaupunkten und dem atmosphärischen Taupunkt

atmosphärischen Taupunkt von –23 °C. Filterkönnen zum Entfernen der Feuchtigkeit nichtverwendet werden, da Wasserdampf als Gasin der Luft enthalten ist und nur Festkörperbzw. Tropfen von Filtern erfasst werden.

Die Auswahl des Drucklufttrocknersrichtet sich nach dem geforderten Drucktau-

punkt. Grundsätzlich gilt: Je niedriger dergeforderte Drucktaupunkt, desto höher dieAnschaffungs- und Betriebskosten des Trock-ners. Prinzipiell existieren vier verschiedeneMethoden, um Feuchtigkeit aus der Druck-luft zu entfernen: Kühlung, Überverdichtung,Adsorption und Absorption.

Page 54: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

50

2.4.1.1. Nachkühler

Ein Nachkühler ist ein Wärmetauscher, derdie Druckluft abkühlt. Dies geschieht, umden Wasserdampf, der sonst im Druckluft-netz kondensieren würde, bereits im Kühlerkondensieren zu lassen. Der Kühler wird mitWasser oder Luft gekühlt, ist meistens miteinem Wasserabscheider und einem automa-tischen Ableiter ausgestattet und sollte mög-lichst nahe oder sogar im Kompressor einge-baut werden.

80 bis 90 % des gesamten im Kompres-sorraum anfallenden Kondensates werdenso bereits im Nachkühler abgeschieden.Meistens hat die Druckluft nach dem Kühlereine Temperatur, die um ca. 10 °C über derTemperatur des Kühlmediums liegt. DieserTemperaturabstand hängt jedoch von der Artdes verwendeten Kühlers ab. Nur bei weni-gen Druckluftanlagen wird heute auf einenNachkühler verzichtet. Meistens gehören dieKühler zur Standardausstattung und sind be-reits im Kompressor eingebaut.

2.4.1.2 Kältetrockner

Ein Kältetrockner kühlt die Druckluft weiterab, um zusätzliches Wasser kondensieren zulassen und abzuscheiden. Anschließend wirddie Druckluft wieder auf Raumtemperaturerwärmt, um eine Kondensation auf derAußenseite der Rohrleitungen zu verhindern.

Verschiedene Nachkühler und Wasserabscheider.Bei den meisten Wasserabscheidern wird das

Wasser durch die Fliehkraft oder durch die Träg-heitswirkung von der Luft getrennt. Bewirkt wird

dies durch eine Rotationsbewegung oder durcheine abrupte Änderung der Strömungsrichtung.

2:25

Kompressor KältetrocknerNachkühler

Druck

Temperatur

Spezifische Feuchtigkeit

Relative Feuchtigkeit

2:26

Verläufe unterschiedlicher Parameter beiVerdichtung, Nachkühlung und Kältetrocknung

Da die in den Trockner eintretende warmeDruckluft durch die austretende kalte Druck-luft vorgekühlt wird, kann die Energieauf-nahme des Trockners deutlich reduziert wer-den. Die weitere Abkühlung auf eine Tempe-ratur von +3 °C wird durch einen Kälte-kreislauf erreicht. Taupunkte unterhalb von0 °C können von Kältetrocknern nicht er-reicht werden, da das Kondensat sonst gefrie-ren und der Trockner vereisen würde.

Page 55: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

51

2.4.1.3 Überverdichtung

Überverdichtung ist vielleicht die einfachsteMethode, um Druckluft zu trocknen.

Die Luft wird zuerst auf einen höherenDruck verdichtet. Dies führt zu einer Aufkon-zentration des Wasserdampfes. Anschließendwird die Luft abgekühlt, um diesen Wasser-dampf kondensieren zu lassen und abzu-scheiden. Schließlich entspannt man die Luftwieder auf den gewünschten Druck, wobeider Drucktaupunkt sinkt. Jedoch hat dieseMethode einen sehr hohen Energiebedarfund ist daher nur für kleine Volumenströmegeeignet.

2.4.1.4 Absorptionstrocknung

Absorptionstrocknung ist ein chemischerVorgang, bei dem Wasserdampf im Absorp-tionsmaterial gebunden wird. Das Absorp-tionsmaterial kann entweder fest oder flüssigsein. Oft wird Natriumchlorid für diesen Vor-gang verwendet. Dabei ist aber unbedingt aufeinen ausreichenden Korrosionsschutz allerBauteile zu achten.

Jedoch ist diese Methode unüblich, dasehr große Mengen des Absorptionsmaterialsverbraucht werden und der erreichbare Tau-punkt relativ hoch ist.

A Eintretende Druckluft

B Luft-Luft-Wärmetauscher

C Luft-Kältemittel-Wärmetauscher

D Wasserabscheider

E Trockene Druckluft

F Kältemittelkompressor

G Kondensator

H Expansionsventil

2:27

Arbeitsprinzip eines Kältetrockners

Page 56: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

52

Vor Eintritt in einen Adsorptionstrocknermuss das Kondensat vollständig aus derDruckluft entfernt werden. Wird die Druck-luft mit einem öleingespritzten Kompressorerzeugt, sollte zusätzlich ein Filter vor demTrockner installiert werden. Hinter demTrockner ist ein Staubfilter erforderlich.

Manche Adsorptionstrockner verwen-den für die Regeneration die bei der Verdich-tung im Kompressor entstehende Wärme.Diese Trockner besitzen eine mit einemAdsorptionsmaterial beschichtete Trommel,die in einem Sektor (1/4) durch einen heißenDruckluftstrom (130 – 200 °C) regeneriertwird. Dieser Druckluftstrom wird an-schließend gekühlt dem Hauptdruckluft-strom über eine Düse wieder zugeführt.

Der restliche Bereich der Trommel (3/4)wird verwendet, um den gesamten Druck-

2:28

Kaltregenerierender Adsorptionstrockner

2.4.1.5 Adsorptionstrocknung

Es gibt kaltregenerierende und warmregene-rierende Adsorptionstrockner. Kaltregenerie-rende Adsorptionstrockner sind für kleineVolumenströme geeignet. Für den Regenera-tionsvorgang wird bei diesen Trocknerngetrocknete Druckluft verwendet. Bei einemDruck von 7 bar werden ca. 15 bis 20 % desDruckluftvolumenstromes für die Regenera-tion benötigt. Der erreichbare Drucktaupunktliegt bei –20 °C. Für noch niedrigere Tau-punkte sind größere Spülluftmengen erfor-derlich. Warmregenerierende Trockner rege-nerieren das Adsorptionsmaterial mit elek-trisch erzeugter Wärme oder mit Kompres-sionswärme und haben einen besserenWirkungsgrad als kaltregenerierende Trok-kner. Die erreichbaren Taupunkte liegen bei– 40 °C oder tiefer.

Page 57: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

53

2:29

Während im linken Behälter die Luft getrocknet wird, wird das Adsorptionsmaterial im rechten Behälter regeneriert.Nach Kühlung und Druckaufbau wird die Funktion der Behälter automatisch gewechselt.

luftstrom zu trocknen. Durch die langsameDrehung der Trommel entsteht ein kontinu-ierlicher Vorgang, der dafür sorgt, dass jederTeil der Trommel abwechselnd regeneriertund wieder mit Feuchtigkeit beladen wird.Der Trockner kommt ohne Druckluftverlusteaus. Energie wird lediglich für den Antriebder Trommel benötigt. Ein wassergekühlterTrockner kann so einen Volumenstrom vonbis zu 2.500 l/s trocknen und verbraucht da-bei nur 120 W. Außerdem benötigen dieseTrockner weder einen Vor- noch einen Nach-filter.

2:30

Ölfreier Schraubenkompressor mitMD-Adsorptionstrockner

Page 58: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

54

2.4.2 Filter

Partikel in der Druckluft können durch ver-schiedene Verfahren entfernt werden. Sinddie Partikel größer als die vorhandenen Öff-nungen im Filtermedium, werden diese durchdie Siebwirkung festgehalten.

Dies trifft gewöhnlich nur auf Partikelgrößer als 1 mm zu. Der Filterwirkungsgradkann durch ein feineres und dichteres Filter-medium erhöht werden. Partikel zwischen0,1 mm und 1 mm werden durch ihre Massen-trägheit entfernt. Während der Luftstrom umdie Fasern herumfließt, treffen die Teilchenauf die Fasern und haften auf deren Ober-fläche. Je schneller das Gas fließt, desto besserfunktioniert dieser Effekt.

Sehr kleine Partikel (< 0,1mm) bewegen sichauf Grund von Kollisionen mit Luftmole-külen mehr oder weniger zufällig. Früheroder später treffen sie aber auf eine Faser undbleiben dort haften. Dieser Vorgang wirddurch eine niedrige Strömungsgeschwindig-keit und eine hohe Faseranzahl unterstützt.

Die Filterwirkung setzt sich aus den ein-zelnen, oben beschriebenen Vorgängen zu-sammen. Im Grunde stellt jeder Filter einenKompromiss dar, da kein Filter für alle Teil-chengrößen denselben Wirkungsgrad errei-chen kann. Besonders der unterschiedlicheEinfluss der Strömungsgeschwindigkeit ver-hindert einen gleich hohen Wirkungsgrad füralle Teilchengrößen. In der Praxis stellt sich

2:31

MD Adsorptionstrockner

2:32

Siebwirkung. Partikel größer als 1 mm werdenmechanisch abgeschieden.

2:33

Partikel zwischen 0,1 und 1 mm bewegen sich imLuftstrom und werden abgeschieden, wenn sie mit

einer Faser zusammenstoßen.

Page 59: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

55

heraus, dass Teilchen mit einem Durchmesservon 0,3 mm die am schwierigsten zu entfer-nenden Partikel sind.

Der Wirkungsgrad eines Filters wirdimmer für eine bestimmte Partikelgröße an-gegeben. Oft wird ein Wirkungsgrad vonmehr als 95 % erreicht. Dies bedeutet aber,dass 5 % der Partikel den Filter noch passie-ren. Außerdem kann ein Filter, der einenhohen Wirkungsgrad von 95 % für eineTeilchengröße von 10 mm aufweist, immernoch Teilchen mit einem Durchmesser von 30

bis 100 mm passieren lassen. Öl- und Wasser-tropfen verhalten sich wie feste Partikel undwerden von den Filtern erfasst. Diese Tropfenkoaleszieren im Filtermedium, laufen nachunten und tropfen auf den Boden des Filter-gehäuses. Befindet sich jedoch Wasser oderÖl in Dampfform in der Luft, passieren dieseDämpfe den Filter. Zum Abscheiden vonÖldämpfen werden besondere Filtermateria-lien, wie zum Beispiel Aktivkohle, benötigt.

Jeder Filter erzeugt einen Druckverlust.Dieser Druckverlust kann auch als eine ArtEnergieverlust der Druckluft betrachtet wer-den. Sehr feine Filter mit einem dichtenFiltermedium verursachen einen höherenDruckverlust und setzen sich schneller mitStaubpartikeln zu. Dies führt zu kürzerenStandzeiten und höheren Betriebskosten.

Filter sollten daher immer mit einergewissen Reserve ausgelegt werden, so dasssich der Druckverlust auch noch nach einergewissen Betriebszeit in Grenzen hält.

2:35

Koaleszenzfilter für Öl, Wassertropfen undStaubpartikel. Die Filterelemente haben einen

kleineren Durchmesser und bestehen ausBorsilikatfasern.

Schnittbild durch einen Staubfilter. Ein großesFiltergehäuse und eine große Filteroberfläche führen

zu einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit, einemniedrigen Druckverlust und längeren Standzeiten

der Filterelemente.

2:34

Partikel (< 0,1mm), welche mit den Fasernkollidieren, werden durch Adhäsion festgehalten

Page 60: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

56

2.5Steuer- und

Regelsysteme

2.5.1 Regelung im Allgemeinen

Meistens wird im Druckluftnetz ein mög-lichst konstanter Betriebsdruck benötigt. Diesmacht es erforderlich, den Volumenstrom zuregeln. Abhängig von dem Kompressortyp,den zulässigen Druckschwankungen, demsich verändernden Druckluftverbrauch undden entstehenden Druckverlusten, existierenverschiedene Möglichkeiten zur Regelungdes Volumenstromes.

Ca. 70 bis 80 % der Kosten für die Druck-lufterzeugung entstehen durch den Energie-verbrauch. Daher ist es nur logisch, bei derAuswahl der Regelung ganz besonders aufderen Einfluss auf den Energiebedarf zu ach-

ten. Unterschiede zwischen verschiedenen

Kompressorentypen oder unterschiedlichen

Herstellern werden oft durch den Einfluss

der Regelung auf die Betriebskosten bei wei-

tem übertroffen.

Ein Idealzustand läge vor, wenn der

gesamte Volumenstrom des Kompressors auf

einen gleich großen Druckluftverbraucher

treffen würde. Dies kann unter Umständen

durch eine sorgfältige Auslegung der Getrie-

beübersetzung erreicht werden. Eine Reihe

von Druckluftverbrauchern regeln sich selbst,

indem ein steigender Druck zu einem erhöh-

ten Druckluftverbrauch führt und so ein

stabiles System entsteht.

Beispiele für solche Verbraucher sind die

pneumatische Förderung und die Wasserbe-

lüftung. Normalerweise muss jedoch der vom

Kompressor erzeugte Volumenstrom immer

2:36

Page 61: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

57

geregelt werden. Dies macht es erforderlich,den Kompressor mit einer entsprechendenRegeleinrichtung auszustatten. Grundsätz-lich unterscheidet man zwei verschiedeneSysteme:

1. Eine Volumenstromregelung passt die er-zeugte Druckluftmenge durch Regelung desAntriebsmotors des Kompressors oder überein Ventil genau dem Bedarf an. Als Ergebnisstellen sich, je nach Art des Regelsystems undder Regelgeschwindigkeit, relativ geringeDruckschwankungen zwischen 0,1 und 0,5bar ein.

2. Die Volllast-Leerlaufregelung ist die amhäufigsten eingesetzte Regelart und führt zuDruckschwankungen zwischen zwei einstell-baren Grenzwerten. Bei Erreichen der oberenGrenze (Entlastungsdruck) wird die Druck-lufterzeugung gestoppt und bei Erreichen derunteren Grenze (Belastungsdruck) wiederaufgenommen. Die Größe dieses Druck-bandes wird von der zulässigen Anzahl derVolllast-Leerlaufzyklen beeinflusst und liegtim Normalfall zwischen 0,3 und 1,0 bar.

2.5.2 Regelung vonVerdrängerkompressoren

2.5.2.1 Überstromventil

Der Einsatz eines Überstromventils ist dieeinfachste Methode, einen Kompressor zuregeln. Dieses Ventil lässt die überschüssigeDruckluft in die Atmosphäre entweichen. Esbesitzt eine vorgespannte Feder, die bei Er-reichen des eingestellten Druckes das Ventilöffnet.

Oft wird dafür auch ein Motorventil ver-wendet. Bei diesem Ventil wird der Öff-nungszeitpunkt von außen gesteuert, so dassdieses Ventil auch als Entlastungsventil beim

Start des Kompressors verwendet werdenkann. Ein Überstromventil führt immer zueinem höheren Energieverbrauch, da derKompressor immer belastet läuft und gegenden vollen Netzdruck arbeiten muss.

Bei kleinen Kompressoren wird diesesVentil auch eingesetzt, um den Kompressordurch Öffnen des Ventils zu entlasten. Diesermuss dann lediglich gegen den atmosphäri-schen Druck arbeiten, und der Energiever-brauch kann so deutlich verringert werden.

2.5.2.2 Bypass

Eine Bypassregelung hat im Grunde dieselbeFunktion wie ein Überstromventil. Der Unter-schied ist der, dass die Luft gekühlt in denAnsaugbereich des Kompressors zurückge-führt wird. Diese Methode wird oft im Pro-zessbereich angewendet, wenn das Gas schäd-lich für die Umwelt oder zu wertvoll ist, umes einfach in die Atmosphäre abzublasen.

2.5.2.3 Ansaugdrosselregelung

Die Drosselung ist eine einfache Methode,um den Volumenstrom zu reduzieren. Derdabei im Ansaugbereich erzeugte Unterdruckbewirkt eine Verringerung des Volumen-stromes.

2:38

2:37

Page 62: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

58

Öleingespritzte Kompressoren mit einemgroßen Druckverhältnis können auf bis zu10 % des Volumenstromes heruntergeregeltwerden. Auf Grund des hohen Druckver-hältnisses verringert sich der Energiebedarfaber nicht in gleichem Maße. Diese Regel-methode sollte daher auf Grund des sehrschlechten Wirkungsgrades nur für beson-dere Anwendungen eingesetzt werden.

2.5.2.4 Überstromventilmit Ansaugdrosselregelung

Die Regelmethode verbindet einen großenRegelbereich (0 bis 100 %) mit einer niedrigenEnergieaufnahme von nur 15 bis 20 % derVolllastleistungsaufnahme bei entlastetemKompressor (kein Volumenstrom). Gleich-zeitig mit dem Öffnen des Überstromventilswird die Ansaugdrossel fast vollständiggeschlossen, und das Ventil lässt die geför-derte Luft in die Atmosphäre strömen.

Das Kompressorelement arbeitet dannmit einem Vakuum im Ansaugbereich undgleichzeitig mit einem niedrigen Gegendruck.Dabei ist es wichtig, dass der Druckabbaubeim Umschalten schnell vonstatten geht unddass der abgeblasene Volumenstrom mög-lichst klein ist, um unnötige Verluste beimWechsel zwischen Be- und Entlastung zuvermeiden. Diese Regelart erfordert einen

Druckluftbehälter im Druckluftnetz. DessenVolumen wird durch die Größe des Druck-bandes und durch die Anzahl der zulässigenLastspiele bestimmt.

2.5.2.5 Start/Stopp

Kompressoren zwischen 5 und 10 kW werdenoft durch den Stopp des Antriebsmotors gere-gelt, wenn der Druck das obere Ende desDruckbandes erreicht. Fällt der Druck underreicht das untere Ende des Druckbandes,wird der Motor wieder gestartet. DieseMethode setzt ein großes Druckluftnetz oderein großes Druckband voraus, um die Anzahlder Motorstarts möglichst gering zu halten.Unter diesen Voraussetzungen ist das eineeffektive Regelmethode für kleine Kompres-soren.

2.5.2.6 Drehzahlregelung

Bei einem drehzahlgeregelten Kompressorwird der Volumenstrom durch die Verän-derung der Antriebsdrehzahl des Motors ge-regelt. Dies ist eine sehr effektive Methode,um einen konstanten Betriebsdruck zu er-reichen.

2:39

2:40

2:41

2:42

Page 63: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

59

2:43

Entlastungsvorrichtung eines Kolbenkompressors

auf nur einer Seite eine Volumenstromredu-zierung um 50 % erreicht werden. Bei einerim Prozessbereich oft eingesetzten Methodewerden die Saugventile bei der Aufwärtsbe-wegung des Kolbens leicht geöffnet. Dies er-möglicht eine kontinuierliche Regelung desVolumenstromes.

2.5.2.9 Totraumveränderung

Bei einem Kolbenkompressor können durcheine Veränderung des Totraumes die Füllungdes Zylinders und somit auch der Volumen-strom gesteuert werden. Dies geschieht meis-tens durch Zu- oder Abschaltung eines zu-sätzlichen externen Volumens.

2.5.2.10Volllast – Leerlauf – Stopp

Die bei Kompressoren größer als 5 kW amhäufigsten eingesetzte Methode ermöglichteinen großen Regelbereich bei gleichzeitigniedrigen Verlusten. In der Praxis wird diesdurch eine Kombination der Start/Stopp-Regelung und verschiedenen Entlastungs-arten erreicht. Siehe auch 2.5.4.2.

Der mögliche Regelbereich ist vom Kom-pressortyp abhängig. Oft wird die Drehzahl-regelung mit einem Überstromventil undeiner Drossel im Ansaugbereich kombiniert.

2.5.2.7 Variable Austrittsöffnung

Der Volumenstrom eines Schraubenkom-pressors kann durch eine Positionsverände-rung der Austrittsöffnung im Gehäuse desSchraubenelementes geregelt werden, indemdiese längs der Achse des Schraubenelemen-tes verschoben wird. Jedoch ist diese Metho-de in der Praxis sehr unüblich, da sie einenhohen Energiebedarf hat und einen sehrhohen konstruktiven Aufwand erfordert.

2.5.2.8 Saugventilanhebung

Kolbenkompressoren können effektiv undeinfach durch eine Anhebung des Saugventilsentlastet werden. Die angesaugte Luftmengewird dann bei der Aufwärtsbewegung desKolbens wieder ausgeschoben und die Ener-gieaufnahme des Kompressors auf nur 10 %der Volllastleistungsaufnahme reduziert. Beidoppelt wirkenden Kolbenkompressorenkann durch die Anhebung des Saugventils

1. Steuerluft2. Entlastungszylinder3. Entlastungshaken4. Ventilscheibe5. Ventilfesthalter6. Zylindergehäuse

Page 64: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

60

2.5.3 Regelung vonTurbokompressoren

2.5.3.1 Ansaugdrosselung

Auch der Volumenstrom eines Turbokom-pressors kann durch Drosselung im Ansaug-bereich reduziert werden. Der kleinstmög-liche Volumenstrom tritt dann auf, wenn dasDruckverhältnis die Pumpgrenze erreicht unddie Regelung instabil wird.

Der Regelbereich wird sowohl durch dieBauart des Kompressors, zum Beispiel durchdie Anzahl der Stufen und durch das Lauf-raddesign, als auch durch eine große Anzahlvon äußeren Faktoren, wie dem Gegendruck,der Ansaugtemperatur und der Kühlmedi-umtemperatur, beeinflusst. Meistens liegt dieuntere Grenze zwischen 60 % und 85 % desmaximalen Volumenstromes.

2.5.3.2 Eintrittsleitapparat

Radial angeordnete bewegliche Leitbleche imAnsaugbereich versetzen das angesaugte Gasin Rotation und drosseln so gleichzeitig denVolumenstrom. Die Methode erlaubt einengrößeren Regelbereich und führt zu einerbesseren Energieausnutzung. Eine untere Re-gelgrenze zwischen 50 % und 60 % ist fürdiese Regelart typisch. Gleichzeitig ermög-

licht diese Regelung durch Verdrehen derLeitbleche in die entgegengesetzte Richtung,den Volumenstrom und den Druck des Kom-pressors um ein bestimmtes Maß zu erhöhen.Der Gesamtwirkungsgrad verschlechtert sichdadurch jedoch etwas.

2.5.3.3 Austrittsleitapparat

Um den Regelbereich zusätzlich zu ver-größern, muss die Gasströmung hinter demLaufrad beeinflusst werden. So kann dieuntere Regelgrenze, bei gleich bleibendemDruck, auf bis zu 30 % gesenkt werden.Normalerweise wird diese Regelung aufGrund ihrer Komplexität und des etwas er-höhten Energiebedarfes nur bei einstufigenKompressoren angewandt.

2.5.3.4 Überströmventil

Die einfachste Methode, einen Turbokom-pressor zu regeln, besteht aus einem einfa-chen Überströmventil, das die überschüssigeLuft in die Atmosphäre abbläst. Dieses Ventilarbeitet genauso wie bei einem Verdränger-kompressor.

2.5.3.5 Volllast – Leerlauf – Stopp

Das Erreichen der Pumpgrenze verhinderteine stärkere Ansaugdrosselung und damiteine weitere Verringerung des Volumen-stromes. Der Kompressor kann dann jedochauf folgende Weise weiter geregelt werden:1. Abblasen. Der überschüssige Volumen-strom wird, bei gleich bleibendem Energie-verbrauch, in die Atmosphäre oder in denAnsaugbereich abgeblasen. 2. Autodual. Das Regelsystem schließt dasEinlassventil vollständig und öffnet gleichzei-tig den Kompressoraustritt zur Atmosphäre.Jedoch ist die Energieaufnahme während derEntlastung mit 20 % relativ hoch und abhän-gig von verschiedenen Faktoren, wie zumBeispiel dem Laufraddesign.

2:44

Page 65: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

61

2:45

Beziehung zwischen Wellenleistungund Volumenstrom bei öleingespritzten

Kompressoren und verschiedenenRegelsystemen.

Beziehung zwischen Wellenleistungund Volumenstrom bei ölfrei verdichtenden

Schraubenkompressoren.

Beziehung zwischen Wellenleistungund Volumenstrom bei Turbo-

kompressoren mit verschiedenenRegelsystemen

Page 66: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

62

Diese traditionelle Steuerung wird meistensbei kleineren Kompressoren eingesetzt, sieverfügt über einen Druckschalter mit zweieinstellbaren Werten. Der obere Wert ist derEntlastungsdruck und der untere der Be-lastungsdruck. Der Kompressor arbeitetimmer zwischen diesen eingestellten Druck-werten. Das Druckband, der Unterschiedzwischen Be- und Entlastungsdruck, sollte ca.0,5 bar betragen. Wenn der Druckluftbedarfsinkt, arbeitet der Kompressor zuerst entlas-tet weiter. Die Länge dieser Entlastungs-periode wird durch einen Timer auf einenmaximalen Wert begrenzt (zum Beispiel 20Minuten). Nach Ablauf dieser Zeit wird derKompressor gestoppt und startet erst dannwieder, wenn der Druck den Belastungs-druck erreicht hat. Dies ist eine sehr traditio-nelle und zuverlässige Regelmethode. IhrNachteil ist die lange Reaktionszeit.

Dieses System wurde durch den Einsatzvon Drucksensoren und elektronischen Steu-erungen weiterentwickelt. Durch kontinuier-liche Messung des Druckes kann die Steu-erung feststellen, wie schnell sich der Druckim Netz ändert. Durch vorzeitigen Start/Stopp des Motors bzw. durch Be- und Ent-lastung des Kompressors kann so schnellerreagiert werden, und ein Über- oder Unter-schreiten des Druckbandes wird verhindert.

2.5.3.6 Drehzahlregelung

Die Drehzahlregelung kann nur dann einge-setzt werden, um den Volumenstrom zuregeln, wenn der Druck schwanken darf.Muss der Druck aber konstant sein, weist dieDrehzahlregelung, verglichen mit anderenRegelarten, keinerlei Vorteile auf.

2.5.4 Regelverhalten

2.5.4.1 Allgemein

Die technischen Lösungen zur Regelung vonverschiedenen Kompressorenarten wurdenbereits in den Kapiteln 2.5.2 und 2.5.3 be-schrieben. Um einen Kompressor effektivsteuern zu können, benötigt man jedocheinen vollständigen Regelkreis. Diesen Regel-kreis kann man entweder für die Steuerungeines einzelnen Kompressors oder für eineganze Kompressorstation einsetzen.

Die verschiedenen Regelsysteme werdenkontinuierlich weiterentwickelt. Elektropneu-matische Komponenten werden mehr undmehr durch elektronische Systeme undComputer ersetzt. Damit wird versucht, dieBetriebskosten der Kompressoren durch eineoptimierte Steuerung weiter zu verringern.

Dieses Kapitel beschreibt einige Steuer-und Überwachungssysteme für die gebräuch-lichsten Kompressoren.

2.5.4.2 Last – Leerlauf – Stopp

Das am häufigsten eingesetzte Regelsystem,die Volllast-Leerlaufregelung, wurde bereitsin den Kapiteln 2.5.2.4 und 2.5.2.5 vorgestellt. Sobald Druckluft benötigt wird, wird einSignal an ein Magnetventil geschickt, das dieAnsaugdrossel im Ansaugbereich vollständigöffnet. Die Ansaugdrossel befindet sich ent-weder in der vollständig geöffneten (be-lasteten) oder in der vollständig geschlosse-nen (entlasteten) Position. Zwischenstellun-gen existieren nicht.

2:46

Druckband, Min. – Max., in dem der Kompressorarbeitet. „Min.“ = Belastung, „Max.“ = Entlastung

2:47

Ein fortschrittliches System kann schneller aufDruckänderungen reagieren

Page 67: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

63

Wird keine Druckluft verbraucht, bleibt derDruck konstant, und der Kompressor läuftentlastet. Die Dauer dieser Entlastungsphasewird durch die maximal zulässige Anzahl derMotorstarts bestimmt. Diese Zahl darf nichtüberschritten werden, da ansonsten der Motorzu heiß wird. Je größer der Motor, desto klei-ner fällt diese Zahl aus. Intelligent program-mierte Kompressorsteuerungen analysierenden Trend des Druckluftverbrauchs und ent-scheiden, ob es wirtschaftlich sinnvoller ist,den Motor zu stoppen oder den Kompressorweiter entlastet laufen zu lassen.

2.5.4.3 Drehzahlregelung

Kompressoren mit einem drehzahlgeregeltenAntriebsmotor können den Netzdruck ineinem sehr engen Druckband annäherndkonstant halten.

Für diese Regelung wird ein Frequenz-umrichter, der die Drehzahl von Induktions-motoren regeln kann, benötigt. Der Volumen-strom des Kompressors kann so exakt demBedarf angepasst werden, indem der Netz-druck ständig gemessen wird und der Fre-quenzumrichter die Drehzahl des Kompres-sormotors so regelt, dass der gemesseneDruck immer mit dem vorher eingestelltenSollwert übereinstimmt. So kann der Netz-druck in einem Druckband von 0,1 bar gehal-ten werden.

2:48

Druckluftnetz mit drehzahlgeregeltem Kompressor

2.5.5 Überwachung

Alle Kompressoren sind mit einer Überwa-chungseinrichtung ausgestattet, die denKompressor und eventuell auch die Produk-tion schützen soll. Zu diesem Zweck werdenSensoren verwendet, um den aktuellen Zu-stand der Anlage zu erfassen. Die Sensor-werte werden an eine Steuerung weitergege-ben, und diese wertet die Signale aus.

Ein Sensor zur Messung von Druck oderTemperatur besteht aus dem Sensorelementund einem Messauswerter. Der Sensor misstden Wert, und der Konverter wandelt diesenWert in ein elektrisches Signal um, das voneiner Steuerung oder einem Regelsystem ver-arbeitet werden kann.

2.5.5.1 Temperaturmessung

Oft wird ein Widerstandsthermometer ver-wendet, um eine Temperatur zu messen. Esbesteht aus einem von der Temperaturabhängigen Widerstand. Bei sich änderndenTemperaturen wird die Widerstandsände-rung gemessen und in ein 4 – 20 mA Signalverwandelt. PT 100 sind die am häufigsteneingesetzten Widerstandsthermometer. DerenWiderstand bei 0 °C beträgt genau 100 W.

Ein Thermistor ist ein Halbleiter, dessenWiderstand sich bei einer bestimmten Tempe-ratur plötzlich ändert. Er kann benutzt wer-

Page 68: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

64

den, um die Temperatur im Inneren eineselektrischen Motors zu überwachen. Meistenswerden Widerstände mit positiven Tempera-turkoeffizienten eingesetzt.

Die Widerstände dieser Thermistoren ändernsich bei Erreichen einer bestimmten Tempe-ratur schlagartig. Die Thermistoren werdenmit einer Auswertungseinheit verbunden, diediese Widerstandsänderung registriert undein Signal abgibt, um den Motor im Notfallzu stoppen.

2.5.5.2 Druckmessungen

Meistens wird ein druckempfindlicher Kör-per, wie zum Beispiel eine Membrane, fürdie Messung von Drücken verwendet. Dasmechanische Signal der Membrane wird inein elektrisches Signal (4 – 20 mA oder 0 – 5 V)verwandelt.

2:49

Beispiel für den Anschluss eines PT-100Widerstandsthermometers in einer Brückenschaltung

Die Übertragung eines mechanischen inein elektrisches Signal kann auf verschiede-nen Wegen erreicht werden. In einem kapazi-tiven System wird der Druck auf eine Mem-brane übertragen. Die Position dieser Mess-membrane wird kapazitiv durch einen Sensorerfasst und direkt in einen Strom oder eineSpannung verwandelt.

Ein mit Widerständen arbeitendes Mess-system besteht aus einem mit der Membraneverbundenen Spannungsmessgerät, das ineiner Brückenschaltung angeschlossen wird.Sobald die Membrane einem Druck ausge-setzt wird, verursacht ein Piezoelement einekleine Spannung, die durch die Brücken-schaltung verstärkt wird.

Das piezoelektrische Element bestehtaus einem Kristall, der eine Spannung er-zeugt, sobald seine Oberfläche einem Druckausgesetzt wird. Die Höhe der Spannung istproportional zum Druck, der auf die Ober-fläche ausgeübt wird.

2.5.5.3 Überwachung

Das Überwachungssystem wird immer demKompressor angepasst. Ein kleiner Kolben-kompressor wird normalerweise nur miteinem Überlastschalter zum Schutz des An-triebsmotors ausgestattet, während eingroßer Schraubenkompressor mit einer Viel-zahl von verschiedenen Sensoren und Schutz-schaltern ausgerüstet wird, um zu hohe Tem-peraturen bzw. Drücke oder eine Überlastungdes Motors feststellen zu können. Auf dieseWeise kann der Kompressor gestoppt wer-den, bevor ein irreparabler Schaden entsteht.

2:50

1. Anschlag2. Messmembrane3. Silikonölfüllung

4. Feste Isolatoren5. Schutzmembrane

Beispiel einer kapazitiven Druckmessung

2:51

Brückenschaltung mit direkter Anzeige

Page 69: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

65

Bei kleineren Kompressoren schaltet die Über-wachungseinrichtung den Kompressor ausund blockiert einen Neustart, solange derFehler noch vorhanden ist. Eventuell wird dieArt des Fehlers durch eine Signallampe an-gezeigt.

Bei weiterentwickelten und vor allemgrößeren Kompressoren können die ver-schiedenen Betriebsdaten, wie Temperaturen,Drücke oder Serviceanzeigen, auf einemDisplay abgelesen werden. Wenn ein Werteine Warnschwelle erreicht, wird dies durchdie Steuerung signalisiert. So können Maß-nahmen eingeleitet werden, bevor der Kom-pressor sich abschaltet oder Schäden auftre-ten. Ist der Kompressor erst einmal aufGrund eines Alarmes gestoppt, wird ein Neu-start so lange von der Steuerung blockiert, bisder Wert sich wieder normalisiert hat und derAlarm quittiert wurde.

Das Finden des Fehlers wird durch dieSpeicherung aller relevanten Daten des Kom-pressors, wie Temperaturen und Drücke,wesentlich vereinfacht. Die Menge der Daten,die gespeichert werden können, hängt vonder eingebauten Speichergröße ab. Ist derSpeicher groß genug, können die gespeicher-

ten Daten der letzten 24 Stunden einen Trendanzeigen und so einiges über den aufgetrete-nen Fehler verraten.

2.5.6 Übergeordnete Steuerungen

Einzelne Kompressoren sind meistens nurBausteine einer größeren Kompressorstation.Es existieren viele gute Gründe, eine Steue-rung für die gesamte Druckluftanlage zu ent-wickeln und einzusetzen. So verringert dieAufteilung der Betriebszeiten auf verschiede-ne Kompressoren das Risiko eines Ausfallesund vereinfacht die Wartung. Bei Ausfalleines Kompressors können angeschlosseneStand-by-Kompressoren von der Steuerungautomatisch gestartet werden und verhin-dern so das Absinken des Betriebsdruckesund den Stillstand der Produktion.

2.5.6.1 Reihenfolgesteuerung

Die einfachste und am häufigsten eingesetzteSteuerung ist der Reihenfolgeschalter. Er hatdie Aufgabe, die Betriebszeiten und die An-zahl der einzelnen Kompressorstarts gleich-mäßig auf die angeschlossenen Kompres-soren aufzuteilen. Die Startreihenfolge kann

R

1

2

2:52

Ein anwenderfreundliches Display zeigt alle wichtigen Betriebszustände des Kompressors, wieTemperaturen und Drücke, direkt an

Page 70: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

66

entweder von Hand oder gemäß einem festenPlan einprogrammiert werden. Da weiterhindie in den Kompressoren eingebauten Druck-schalter verwendet werden, müssen diese ge-staffelt, in Form einer Kaskade, eingestelltwerden.

Durch diese Staffelung der einzelnenDruckbänder entsteht aber ein relativ großesGesamtdruckband für die Druckluftanlagemit einem eigentlich unnötig hohen Betriebs-druck und einer erhöhten Leistungsauf-nahme. Daher sollte diese Steuerung nur fürmaximal 2 bis 3 Kompressoren eingesetztwerden.

Eine weiterentwickelte Steuerung besitztzwar dieselbe Reihenfolgeschaltung, hat abereinen eigenen, zentralen Drucksensor. Dieserermöglicht es, die gesamte Kompressor-station, unabhängig von der Anzahl der an-geschlossenen Kompressoren, in einem ge-meinsamen Druckband zu betreiben.

Ein Reihenfolgeschalter, der die Kom-pressoren in einer festen Reihenfolge startetund stoppt, berücksichtigt nicht die jeweiligeGröße der einzelnen Kompressoren. Es bietetsich daher an, diesen Reihenfolgeschalter vor

allem dann einzusetzen, wenn alle Kompres-soren einen annähernd gleich großen Vo-lumenstrom besitzen.

2.5.7 Kompressorleitsysteme

Leitsysteme für Kompressoren besitzen immereine gewisse „Intelligenz“. Die Grundfor-derung an ein solches System besteht darin,den Druck in einem engen Druckband zuhalten und die angeschlossenen Kompres-soren dabei so wirtschaftlich wie möglich zusteuern. Um dies zu ermöglichen, muss dasLeitsystem den Druckluftverbrauch erken-nen, analysieren und in die Zukunft proji-zieren und gleichzeitig die Kompressorensteuern.

Das Leitsystem erkennt, wie schnell sichder Betriebsdruck verändert, und leitet dar-aus den Druckluftverbrauch und dessenTendenz für die unmittelbare Zukunft ab. Beieiner korrekt eingestellten Anlage kann derDruck in einem Druckband von 0,4 bar ge-halten werden.

Um die wirtschaftlich beste Betriebsartzu erzielen, ist es sehr wichtig, dass das Leit-system immer eine zum Druckluftverbrauch

2:53

Vergleich des Gesamtdruckbandes bei einem konventionellen Reihenfolgeschalter (links) und einem Reihenfolge-schalter mit eigenem Drucksensor (rechts)

Page 71: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

67

2:54

Zentral überwachte Kompressoranlage

passende Kompressorgröße oder eine Kombi-nation aus verschiedenen Kompressoren aus-wählen kann. Dies geht nur, wenn die ange-schlossenen Kompressoren unterschiedlichgroße Volumenströme haben.

Ziel der Regelung ist es, Leerlaufphasenzu vermeiden und die Kompressoren mög-lichst lange belastet laufen zu lassen.

Ein weiterer Vorteil dieser Leitsystemeist es, dass auch ältere Kompressoren gesteu-ert werden können und diese so auf eine rela-tiv einfache Art und Weise in eine moderneGesamtanlage integriert werden können. Sowerden die Betriebskosten verringert, und dieVerfügbarkeit der Kompressoren wird gestei-gert.

2.5.8 Fernüberwachung

Bei einer Druckluftanlage besteht oft derWunsch und der Bedarf, die Anlage aus der

Ferne zu steuern und zu überwachen. Beikleineren Anlagen ist es recht einfach, eineneinzelnen Alarm oder eine Bereitschaftsmel-dung direkt am Kompressor abzugreifenoder den Kompressor aus der Ferne zu star-ten bzw. zu stoppen.

Bei größeren Anlagen ist die großeAnzahl der verschiedenen Daten ein guterGrund für eine zentrale Überwachung. Diesesollte sowohl einen Überblick über die Ge-samtanlage erlauben als auch die verschiede-nen Daten eines einzelnen Kompressors an-zeigen können.

Das Leistsystem sollte auch einen Spei-cher besitzen, um die verschiedenen Trendsder Daten der letzten 24 Stunden analysierenzu können. Die Verläufe können wertvolleRückschlüsse auf den Zustand der Kompres-soren zulassen und erlauben so eine effizien-tere Planung der Wartungseinsätze.

Page 72: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

68

Oft erstellen solche Systeme regelmäßigZustandsberichte über die Gesamtanlageoder über einzelne Maschinen. So lässt sichder Zustand der Anlage leicht protokollieren,und die Gesamtbetriebskosten werden trans-parenter.

2:55

Beispiel einer Fernüberwachung. Der obere Teil gibt einen Überblick über die Druckluftanlage.Drei Kompressoren laufen belastet, einer ist gestoppt. Der untere Bereich zeigt die Daten vom Kompressor 4.

Unter anderem ist das Fließschema der Druckluft und des Öls zu erkennen.

Page 73: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

Kapitel 3 Auslegung undInstallation

Page 74: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

Die erforderliche Druckluftqualität istnicht nur eine Frage des Wasserdampfgehal-tes der Luft, sondern wird auch immer mehrdurch den Umweltschutz beeinflusst. DieAnteile von Öl und Mikroorganismen in derDruckluft sind wichtige Größen, die späterdie Produktqualität, die Ausschussrate, dieArbeitsbedingungen und die Umweltbedin-gungen beeinflussen. Die Entscheidung, obdie Kompressorstation zentral oder dezentraleingerichtet werden soll, hat große Auswir-kungen auf den erforderlichen Platzbedarfund auf zukünftige Erweiterungen. Aus öko-nomischen, aber auch aus Umweltschutz-gründen ist es sinnvoll, möglichst früh zuentscheiden, ob eine Anlage mit einer Wärme-rückgewinnung ausgestattet werden soll.Diese Anlagen machen sich bei einem ent-sprechenden Wärmebedarf schnell bezahlt.

Es ist sehr wichtig, diese Fragen sowohlfür den aktuellen Bedarf als auch für zukünf-tige Erweiterungen gründlich zu untersu-chen, da nur so Fehler bei der Auslegung ver-mieden werden können, die im Nachhineinkaum zu korrigieren sind.

3.1.1.1 Bestimmungdes Betriebsüberdruckes

Der Bedarf der Druckluftverbraucher legtden erforderlichen Betriebsüberdruck fest.Die Festlegung des Betriebsüberdruckes hatnicht nur einen entscheidenden Einfluss auf

70

3:1

Der Druckluftverbrauch von einzelnen Werkzeugen kann den Katalogen der Hersteller entnommen werden.Der Einschaltdauerfaktor legt fest, wie häufig bzw. wie lange diese Verbraucher eingeschaltet werden,

und ermöglicht es so, den Gesamtbedarf festzulegen.

3.1Auslegung von

Kompressorstationen

3.1.1 Allgemein

Eine Reihe von Entscheidungen müssen beider Auslegung von Kompressorstationen ge-troffen werden, um allen Anforderungen desBetreibers gerecht zu werden, um spätermöglichst niedrige Betriebskosten zu erzielenund um für zukünftige Erweiterungen gutvorbereitet zu sein.

Grundsätzlich sollte zuerst immer dieAnwendung oder der Prozess betrachtet wer-den, der die Druckluft benötigt. Hat man alleAnforderungen beisammen, die diese An-wendung an die Druckluft stellt, besitzt maneine gute Grundlage für die Auslegung derKompressorstation.

Besonders wichtig ist die Bestimmungoder Berechnung des tatsächlichen Druckluft-bedarfes, der erforderlichen Reserveluft-menge und die Abschätzung des zukünftigenBedarfs. Die Festlegung des erforderlichenBetriebsüberdruckes ist ebenfalls von großerBedeutung, da der spätere Energiebedarfdavon entscheidend beeinflusst wird. Manch-mal kann es ökonomisch sinnvoller sein,mehrere verschiedene Kompressoren fürunterschiedliche Druckniveaus einzuplanen.

Page 75: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

71

die Auswahl des Kompressors, sondern auchauf die Auslegung des Druckluftnetzes inklu-sive aller Rohre, Ventile, Trockner und Filter.

Unterschiedliche Druckluftverbrauchererfordern unter Umständen unterschiedlicheBetriebsüberdrücke. Normalerweise gibt dergrößte benötigte Druck den Druck im Netzvor. Entweder werden die anderen Verbrau-cher dann über Druckreduzierventile ver-sorgt, oder es werden in extremen Fällenseparate Kompressoren installiert.

Man sollte bei der Auslegung nie verges-sen, dass ein Druckverlust bei steigendemVolumenstrom schnell zunimmt. Wenn einsteigender Druckluftbedarf bereits abzusehenist, ist es ökonomisch sinnvoller, die Anlagebereits für diesen erhöhten Bedarf auszu-legen.

Besonders Staubfilter haben einen nied-rigen Anfangsdruckverlust. Mit der Zeit set-zen sich die Filter aber zu, und derDruckverlust steigt. Erreicht der Druckver-lust einen gewissen Wert, sollte das Filterele-ment ausgetauscht werden. Dies ist bei derFestlegung des Betriebsdruckes genauso zuberücksichtigen wie die Einflüsse der Kom-pressorregelung. Eine Volllast-Leerlaufrege-lung führt zum Beispiel innerhalb des einge-stellten Druckbandes zu einem schwanken-den Druck. Die Berechnung sollte möglichstsystematisch durchgeführt werden.

Bauteil Druckverlust bar (e)

Endverbraucher 6

Feinstfilter 0,1–0,5

Rohrleitung 0,2

Staubfilter 0,1–0,5

Trockner 0,1

Druckband 0,5

Min. erforderlicher Betriebsüberdruckam Kompressoraustritt 7,0–7,8

Grundsätzlich bestimmt immer derjeweilige Bedarf des Endverbrauchers undder Druckverlust zwischen Kompressor undVerbraucher den erforderlichen Betriebsüber-druck hinter dem Kompressor. So kann durchAddition der einzelnen Druckverluste zumBetriebsdruck des Verbrauchers der erforder-liche Druck berechnet werden, der vom Kom-pressor mindestens erzeugt werden muss.

3.1.1.2 Bestimmungdes Druckluftbedarfes

Der gesamte Druckluftbedarf wird bestimmt,indem der Bedarf der einzelnen Verbraucheraddiert wird. Da nie alle Verbraucher gleich-zeitig und ununterbrochen betrieben werden,ist ein Gleichzeitigkeitsfaktor bzw. Einschalt-dauerfaktor zu berücksichtigen, der geschätztwerden muss. Zusätzlich sollte eine Reservefür Verschleiß, für Leckagen und für zukünf-tige Erweiterungen eingeplant werden.

Bei der Bestimmung des Druckluftbe-darfes sollte man zuerst eine Liste erstellen,die alle Druckluftverbraucher mit derenDaten und einer Angabe zur Dauer desVerbrauches enthält. Falls keine Angabenzum Druckluftbedarf oder zur Einsatzdauervorliegen, sollten Standardwerte verwendetwerden oder es sollte geschätzt werden. Dadas Schätzen bei vielen Verbrauchern rechtschwierig ist, kann es hilfreich sein, diegeplante Anlage mit einer bereits vorhande-nen ähnlichen Anlage zu vergleichen, um soeine gute Grundlage für die Schätzung zubekommen.

Selbst bei einem niedrigen Gleichzeitig-keitsfaktor kann es sein, dass in einemNetz große Druckluftverbraucher zwar sel-ten, aber über einen längeren Zeitraum(3–10 Min.) betrieben werden. In diesem Fallemuss der Kompressor für den maximalenBedarf ausgelegt werden, und der Gleich-zeitigkeitsfaktor ist zu vernachlässigen.

Page 76: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

72

Der Volumenstrom des Kompressorssollte immer etwas über dem errechnetenBedarf liegen. Die Schaffung zusätzlicherReserven sollte sich danach richten, welcheAuswirkung ein Ausfall der Druckluftver-sorgung auf die Produktion hätte.

Die Anzahl der Kompressoren undderen Abstufung bestimmt die Flexibilität

und den Gesamtwirkungsgrad der Anlage.Wird eine Anlage aus Kostengründen nur miteinem einzelnen Kompressor ausgestattet,erweist es sich oft als sinnvoll, eine An-schlussmöglichkeit für einen fahrbaren Kom-pressor vorzusehen. Ein älterer Kompressorkann oft als günstiger Stand-by-Kompressoreingesetzt werden.

3:2

Prinzip einer Bedarfsanalyse

3:3

Oft bietet es sich an, den Druckluftbedarf über den Zeitraum von einer Woche kontinuierlich zu messen,um sich einen Überblick über den tatsächlichen Bedarf zu verschaffen. Jeder Tag wird hier durch eine unterschiedliche

Farbe dargestellt.

Page 77: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

73

3.1.1.3 Messungdes Druckluftbedarfes

Nur eine intensive Bedarfsanalyse liefert dienotwendigen Informationen über den Druck-luftbedarf und bildet so die Grundlage, dieGröße der Druckluftstation festlegen zu kön-nen. Die meisten industriellen Anlagen ent-wickeln sich kontinuierlich weiter. Dies be-deutet, dass sich auch die Anforderungen andie Druckluft kontinuierlich verändern. Esist daher sehr wichtig, die Druckluftstationimmer dem aktuellen Bedarf anzupassen,aber auch gleichzeitig eine ausreichende Re-serve für Erweiterungen bereitzuhalten.

Eine Bedarfsanalyse sollte immer auchdie Messung von Betriebsdaten enthaltenund durch eine gründliche Analyse einerähnlichen, bereits existierenden Druckluftsta-tion ergänzt werden. Eine solche Messungsollte mindestens eine Woche lang undwährend eines typischen Betriebsablaufesdurchgeführt werden, um sicherzustellen,dass korrekte und aussagekräftige Daten auf-gezeichnet werden. Die Messdaten erlaubenes, anschließend verschiedene individuelleKompressorinstallationen zu simulieren, umso die kostengünstigste Kompressorkombina-tion herauszufinden.

Faktoren wie die Be- und Entlastungs-dauer der Kompressoren sollten bei derPlanung der Kompressorstation ebenfalls be-rücksichtigt werden. Aus den während einesTages oder einer Woche aufgezeichnetenDaten lassen sich auch Aussagen über dieBelastung und den Druckluftbedarf machen.Dies ist besonders interessant, da sich alleinanhand des Betriebsstundenzählers am Kom-pressor meist keine Aussagen über die ge-nauen Belastungsverhältnisse machen lassen.

Eine ausführliche Bedarfsanalyse kannauch als Grundlage dienen, um über eine

Wärmerückgewinnung zu entscheiden. Oftkönnen mehr als 90 % der verbrauchtenEnergie als Wärme zurückgewonnen werden.Zusätzlich liefert die Analyse Angaben zurDimensionierung und zum Betriebsverhal-ten. Zum Beispiel kann ermittelt werden, obder Druck zeitweilig gesenkt werden kann,ob das Regel- und Steuersystem optimiertwerden sollte, um die Auslastung derKompressoren zu erhöhen, oder wie groß dieLeckagen im Druckluftnetz sind.

Wird während der Nacht oder amWochenende nur eine geringe Druckluft-menge benötigt, sollte geprüft werden, ob essich lohnt, einen kleineren Kompressor fürdiese Aufgabe zu beschaffen.

3.1.2 Zentrale oder dezentraleKompressorstationen

3.1.2.1 Allgemein

Die Frage, ob die erforderliche Druckluft-menge besser von einem großen oder mehre-ren kleinen Kompressoren erzeugt werdensoll, kann nicht pauschal beantwortet wer-den. Die Antwort wird davon beeinflusst,welche Bedeutung ein Druckluftausfall fürdie Produktion hat, ob ausreichend elektri-sche Energie zur Verfügung steht, wie starkdie Schwankungen des Druckluftbedarfessind und wie viel Platz für die Installationder Kompressoren zur Verfügung steht.

3:4

Auch kleine Leckagen führen zu hohen Kosten

Page 78: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

74

3.1.2.2 Zentrale Kompressorstation

Aus Kostengründen entscheidet man sichmeistens für eine zentrale Kompressorstation.

Die leichtere Integration von neuenKomponenten in eine zentrale Kompressor-station verringert bei einer späteren Erwei-terung die dazu erforderlichen Investitions-kosten. Eine zentrale Station führt auch zueinem geringeren Aufwand bei der Überwa-chung, zu niedrigeren Wartungskosten undbietet bessere Bedingungen für den Einbaueiner Wärmerückgewinnung. Der Gesamt-platzbedarf ist relativ niedrig. Filter, Nach-kühler, andere Druckluftkomponenten unddie Belüftung der Kompressoren könnenleichter ausgelegt und installiert werden.Schallschutzmaßnahmen sind ebenfalls einfa-cher und effizienter zu realisieren.

Eine Anlage aus mehreren, in der Größegestaffelten Kompressoren lässt sich leichteffizient regeln, um die Auslastung zu ver-bessern. Ein einzelner, großer Kompressorbekommt schnell Schwierigkeiten mit derRegelung, wenn der Druckluftbedarf starkschwankt.

Oft werden Anlagen, die nur einengroßen Kompressor haben, mit einem kleine-ren, zusätzlichen Kompressor ausgestattet,um mit diesem den Bedarf für die Nacht oderfür das Wochenende zu erzeugen. Ein weite-rer Aspekt, der berücksichtigt werden sollte,ist die Frage, ob das vorhandene Stromnetzden Start eines großen Kompressors über-haupt verkraften kann.

3.1.2.3 Dezentrale Kompressorstationen

Anlagen mit mehreren dezentralen Kompres-soren haben meist ein kleineres und ein-facheres Druckluftnetz. Die Nachteile von de-zentralen Kompressorstationen liegen in derSchwierigkeit, eine effiziente Regelung aufzu-bauen, in den höheren Kosten und in der

Problematik, dass es bei einem Wartungs-einsatz kaum möglich ist, einen Reservekom-pressor einzusetzen. Dezentrale Kompres-soren können auch eingesetzt werden, umkurzzeitig in großen Netzen den Druck auf-rechtzuerhalten, wenn kurzfristig großeDruckluftverbräuche auftreten. Andererseitskann dieses Problem auch durch dieInstallation von zusätzlichen Druckluftbe-hältern an speziell ausgewählten Plätzengelöst werden.

Eine einzelne Maschine oder einGebäude, das zu einer bestimmten Zeit dereinzige Druckluftverbraucher ist, sollte vomzentralen Druckluftnetz getrennt und voneinem eigenen Kompressor versorgt werden.Der Vorteil liegt darin, dass die Leckagen imRest des Netzes keine Druckluft mehr ver-lieren können und dass ein kleinerer Kom-pressor besser für den lokalen Bedarf ausge-legt und so wirtschaftlicher betrieben werdenkann.

3.1.3 Auslegung beiHöhenaufstellung

3.1.3.1 Allgemein

Bei einer Höhenaufstellung verringern sichsowohl der Umgebungsdruck als auch dieUmgebungstemperatur. Dies hat einen ent-scheidenden Einfluss auf das Druckverhältnisund damit auf die Leistungsaufnahme undden Volumenstrom des Kompressors. Gleich-zeitig verringern dieselben Einflüsse dieLeistungsfähigkeit von Elektro- und Verbren-nungsmotoren.

Auch die Druckluftverbraucher werdenvon diesen Änderungen betroffen. Wird zumBeispiel für einen bestimmten Prozess einMassenstrom benötigt, oder ist ein Volumen-strom erforderlich? Soll für die Auslegungdas Druckverhältnis, der Absolutdruck oder

Page 79: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

75

ein Überdruck verwendet werden? Ist dieDrucklufttemperatur wichtig?

All diese Fragen sind entscheidend fürdie Auslegung einer Kompressorstation beieiner Höhenaufstellung. Im Zweifelsfallesollte man immer mit dem Anbieter bzw.dem Hersteller Kontakt aufnehmen und sichvon diesem beraten lassen.

3.1.3.2 Auswirkungen auf Kompressoren

Um den richtigen Kompressor auszuwählen,müssen folgende Angaben berücksichtigtwerden:

• Höhe über dem Meeresniveaubzw. Umgebungsdruck

• Umgebungstemperatur• Feuchtigkeit• Kühlmediumtemperatur• Kompressortyp• Antriebsart

Diese Zustände beeinflussen:

• den maximal möglichenBetriebsüberdruck

• den Volumenstrom• den Leistungsbedarf• den Kühlbedarf

Ganz entscheidend wirkt sich die Druck-änderung aus. Ein Kompressor mit einemDruckverhältnis von 8,0 auf Meeresniveauhat, bei gleichem Betriebsüberdruck, einDruckverhältnis von 11,1 auf einer Höhe von

Die Tabelle gibt den Zusammenhang zwischen derHöhe unter/über dem Meeresniveau und den sich

dadurch ändernden Drücken und Temperaturen an.Während der Druck vom lokalen Wetter kaumbeeinflusst wird (+/-5 %), können die lokalen

Temperaturänderungen dagegen beträchtlich sein.

3:5

3:6

Ungefährer Einfluss der Höhenaufstellung auf Volumen- und Massenstrom bei 7 bar und konstanter Temperatur.Das maximale Druckverhältnis des Kompressors darf nicht überschritten werden.

Page 80: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

76

3000 m. Dies beeinflusst sowohl den Wir-kungsgrad als auch den Leistungsbedarf desKompressors. Wie hoch dieser Einfluss ist,hängt vom Kompressortyp ab und wird inder Tabelle 3:6 angegeben.

Die Umgebungstemperatur, die Feuch-tigkeit und die Kühlmediumtemperatur be-einflussen den Kompressor mehr oder weni-ger, je nachdem, ob es sich um einen ein- odermehrstufigen Verdränger- oder Turbokom-pressor handelt.

3.1.3.3 Auswirkungen auf Antriebe

3.1.3.3.1. Elektromotoren

Bei einer Höhenaufstellung verschlechtert diedünnere Luft die Kühlung der Motoren.Standardmotoren können bis zu einer Höhevon 1000 m und Umgebungstemperaturenbis zu 40 °C ohne Einschränkungen betriebenwerden. Bei größeren Höhen kann als Anhalt

die Tabelle 3:7 verwendet werden. Es ist zubeachten, dass sich bei einigen Kompresso-rentypen die Motorleistung deutlich schnellerverringert als die benötigte Wellenleistung.

3.1.3.3.2 Verbrennungsmotoren

Die Verringerung des Umgebungsdruckes,ein Anstieg der Umgebungstemperatur odereine Abnahme der Luftfeuchtigkeit führen zueiner Abnahme des Sauerstoffgehaltes in derangesaugten Luft und damit auch zur Ab-nahme der vom Motor abgegebenen Leis-tung. Die Höhe der Leistungsreduzierunghängt vom Motortyp und von dessen Luft-zuführung ab. Bleibt die Temperatur unter30 °C, hat die Luftfeuchtigkeit kaum einenEinfluss (<1%/1000 m).

Die Leistungsreduzierung des Motorsfällt bei einer Höhenaufstellung erheblichgrößer aus als die Verringerung der erforderli-chen Wellenleistung des Kompressors. Daher

3:7

Die Tabelle gibt die zulässige Belastung von Elektromotoren in % von deren Nennleistung an

3:8

Leistungsreduzierung bei Verbrennungsmotoren durch höhere Temperaturen und Höhenaufstellung

Page 81: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

77

gibt es für jede Kompressor-Motor-Kombina-tion eine maximal zulässige Betriebshöhe.Grundsätzlich sollten alle relevanten Betriebs-daten dem Hersteller mitgeteilt werden, umdiesem eine genaue Berechnung und Aus-legung des Betriebes bei einer Höhenaufstel-lung zu ermöglichen.

3.2Druckluftaufbereitung

3.2.1 Allgemein

Die richtige Druckluftqualität ist oft von ganzentscheidender Bedeutung für den Betreibereiner Druckluftstation. Falls Verunreinigun-gen in der Druckluft mit dem Endprodukt inBerührung kommen, kann dies zu höheremAusschuss führen. Oft wird so aus einer aufden ersten Blick kostengünstigen Lösung eineinsgesamt sehr teure Art der Drucklufterzeu-gung. Es ist sehr wichtig, dass die Druckluft-qualität den Anforderungen der Produktionentspricht und auch zukünftige Anforde-rungen so weit wie möglich bereits berück-sichtigt werden.

3:9

Hauptkomponenten einer Druckluftanlage.Die Auswahl der Druckluftaufbereitung entscheidet über die spätere Druckluftqualität

und beeinflusst erheblich die Betriebskosten.

Die Druckluft kann verschiedene Verun-reinigungen wie Wasser, Öl oder Staubpar-tikel enthalten. Abhängig von der Druckluft-anwendung können diese Verunreinigungendie Produktion stören und die Betriebskostenansteigen lassen. Die Aufgabe der Druckluft-aufbereitung ist es, diejenige Druckluftqua-lität zu erzeugen, die vom Verbraucherbenötigt wird.

Erst eine genaue Betrachtung der Druck-luftanwendung ermöglicht die Festlegungder erforderlichen Druckluftqualität. Unteranderem muss geprüft werden, ob die Druck-luft mit dem Produkt in Kontakt kommt undob am Arbeitsplatz Öldämpfe in der Luftakzeptiert werden können. Um diese Fragenzu beantworten, ist ein systematischer Ansatzempfehlenswert.

3.2.2 Wasserdampf in der Druckluft

Luft enthält immer Feuchtigkeit in Form vonWasserdampf. Ein Teil davon verbleibt in derDruckluft und kann dort zu folgenden Pro-blemen führen: hohe Wartungskosten, ver-kürzte Standzeiten, verringerte Leistung vonWerkzeugen, höherer Ausschuss bei Lackier-

Page 82: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

78

und Spritzanlagen, erhöhte Leckagen, Stö-rungen bei Steuerventilen und Korrosion inden Druckluftleitungen.

Das in der Druckluft enthaltene Wasserkann von Nachkühlern, Wasserabscheidern,Kältetrocknern und Adsorptionstrocknernentfernt werden.

Ein Kompressor mit einem Betriebs-überdruck von 7 bar (e) verdichtet die Luftauf 1/8 ihres ursprünglichen Volumens. Dieso verdichtete Luftmenge kann nur noch 1/8der ursprünglichen Wasserdampfmenge tra-gen. Die bei diesem Vorgang ausgeschiedeneWassermenge ist beträchtlich. So entstehenzum Beispiel in einem Kompressor mit100 kW Antriebsleistung (Ansaugbedingun-

gen: 20 °C und 60 % relative Feuchtigkeit) ineinem Zeitraum von 8 Stunden ca. 85 LiterKondensat. Die vom Druckluftverbrauchergeforderte Druckluftqualität bestimmt, wietrocken die Luft sein muss, und legt damitauch gleichzeitig fest, welche Kühler undTrockner eingesetzt werden müssen.

3.2.3 Öl in der Druckluft

Die Ölmenge in der Druckluft hängt von fol-genden Faktoren ab: vom Kompressortyp,von der Bauart, vom Alter der Anlage undvon den Betriebsbedingungen. Grundsätzlichmuss bei der Betrachtung dieser Frage zwi-schen Kompressoren mit und ohne Ölein-spritzung in den Verdichtungsraum unter-

3:10

Die ISO hat die Druckluftqualität, je nach Verunreinigungsgrad, in verschiedene Klassen eingeteilt

3:11

Ein Kompressor mit einem Betriebsüberdruck von 7 bar (e) verdichtet die Luft auf 1/8 ihres ursprünglichen Volumens

Page 83: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

79

schieden werden. Bei ölgeschmierten Kom-pressoren wird das Öl für den Verdichtungs-vorgang benötigt, verbleibt aber teilweise inder Druckluft. Der Restölgehalt bei moder-nen Kolben- oder Schraubenkompressoren istjedoch gering.

Ein öleingespritzter Schraubenkompres-sor weist zum Beispiel bei einer Temperaturvon 20 °C einen Restölgehalt von weniger als3 mg/m3 auf. Dieser Ölgehalt kann durchFilter weiter reduziert werden. Bei einer sol-chen Lösung müssen aber die Qualitätsan-forderungen, die erhöhten Risiken und diezusätzlich entstehenden Kosten berücksich-tigt werden.

3.2.4 Mikroorganismenin der Druckluft

Mehr als 80 % der in der Druckluft enthalte-nen Partikel sind kleiner als 2 mm und pas-sieren so den Ansaugluftfilter des Kompres-sors. Anschließend mischen sie sich mitWasser- und Ölresten und werden im Druck-luftsystem verteilt. Dort kann es dann zumWachstum von Mikroorganismen kommen.Durch einen direkt hinter dem Kompressorinstallierten Filter kann dieses Risiko verrin-

gert werden. Eine Voraussetzung, um reineund sterile Luft zu bekommen, ist jedoch,dass man auch hinter dem Filter das Bakte-rienwachstum verhindern kann.

Die Situation wird dadurch besonderserschwert, dass Wasserdampf oder andereGase selbst hinter mehreren Filtern zu Trop-fen kondensieren können. Da Mikroorganis-men Feuchtigkeit mögen, wandern diesedurch die Filter, siedeln sich an und erhöhenso die Keimzahl hinter den Filtern.

Untersuchungen haben gezeigt, dassMikroorganismen am besten in ungetrockne-ter Druckluft mit einer Luftfeuchtigkeit von100 % gedeihen. Verunreinigungen kleiner1 mm und damit auch Mikroorganismen pas-sieren ungehindert den Ansaugfilter desKompressors.

Öl und andere Verunreinigungen dienenoft als Nährboden für Bakterienwachstum.Die wirkungsvollste Maßnahme gegen Bak-terien ist daher die Trocknung der Luft. Dierelative Feuchtigkeit sollte kleiner als 40 %sein. Dies kann entweder durch einen Ad-sorptionstrockner oder bei höheren Umge-bungstemperaturen durch einen Kältetrock-ner geschehen.

3:12

Druckluftanlage zur Erzeugung von verschiedenenDruckluftqualitäten nach ISO 8573-1

Page 84: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

80

3.2.5 Filter

Moderne Filter entfernen sehr effizient vor-handenes Öl aus der Druckluft. Da dieDrucklufttemperatur aber einen hohen Ein-fluss auf den Abscheidegrad hat, ist es sehrschwer, einen konstant niedrigen Ölgehalthinter den Filtern einzuhalten. Sich änderndeDrucklufttemperaturen führen daher immerauch zu sich ändernden Ölabscheideleistun-gen bei Filtern.

Der Wirkungsgrad wird außerdemdurch die Ölkonzentration direkt hinter demKompressor und durch den Wassergehalt derLuft beeinflusst.

Um ein optimales Ergebnis zu erzielen,sollte die Luft so trocken wie möglich sein.Öl-, Staub- und Sterilfilter erzielen alleschlechte Ergebnisse, wenn sich Wassertrop-fen in der Druckluft befinden (bei diesenBedingungen gelten die Leistungsdaten derFilter nicht mehr). Koaleszenzfilter könnennur Öltropfen und Ölaerosole entfernen. UmÖldämpfe abzuscheiden, muss ein Aktiv-kohlefilter eingesetzt werden. Ein korrektmontierter Feinstfilter kann, zusammen miteinem entsprechenden Vorfilter, den Ölgehaltin der Druckluft auf einen Wert von nur noch0,01 mg/m3 (bei einer Temperatur von 21 °C)senken. Ein Aktivkohlefilter erreicht sogareinen Wert von 0,003 mg/m3 (bei 21 °C).

Aktivkohlefilter sollten immer eine aus-reichende Menge Aktivkohle enthalten undso dimensioniert werden, dass sich ein niedri-ger Druckverlust einstellt. Um einen mög-lichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, soll-ten alle Filter so nahe wie möglich am Ver-braucher installiert werden. Für einen zuver-lässigen Betrieb sind regelmäßige Kontrollenund ein rechtzeitiger Austausch der Filterele-mente erforderlich. Aktivkohlefilter könnennur Dämpfe, wie zum Beispiel Öldämpfe,

3:13

Temperaturänderungen führen bei Filtern zu einerunterschiedlichen Abscheideleistung. Standard- und

Hochleistungsfilter entfernen keine Öldämpfe.

adsorbieren. Sterilfilter müssen entwederdirekt in der Druckluftleitung mit Hilfe vonDampf sterilisiert werden, oder sie müssenzur Sterilisation ausgebaut werden.

Die technischen Daten von Filtern geltenimmer nur für eine bestimmte Referenztem-peratur, meistens für 21 °C. Diese Druckluft-temperatur wird von einem luftgekühltenKompressor erreicht, der bei ca. 10 °C Umge-bungstemperatur betrieben wird. Häufigändert sich die Umgebungstemperatur je-doch und liegt oft deutlich über dieser Re-ferenztemperatur. Dies führt dann zu einerdeutlichen Verschlechterung der Abscheide-leistung.

Ein ölfrei verdichtender Kompressorbenötigt keinen Ölfilter. Daher kann derKompressor mit einem niedrigeren Druck

Page 85: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

81

betrieben werden und hat so einen geringe-ren Energiebedarf. Schon oft hat sich erwie-sen, dass ein ölfrei verdichtender Kompressorsowohl aus ökonomischen als auch ausQualitätsgründen die beste Lösung ist.

3.2.6 Nachkühler

Die Druckluft hat direkt nach der Verdich-tung eine Temperatur zwischen 70 und200 °C. Um diese Temperatur zu verringern,werden Nachkühler eingesetzt, die gleichzei-tig auch den Feuchtegehalt der Luft vermin-dern. Meistens werden die Nachkühlerbereits im Kompressor eingebaut. Ist diesnicht der Fall, sollte der Nachkühler immermöglichst nahe hinter dem Kompressorinstalliert werden. Wird die heiße Druckluftim Nachkühler abgekühlt, entsteht dort an-teilmäßig die größte Kondensatmenge. DiesesKondensat ist immer möglichst schnell ausdem Druckluftsystem zu entfernen, um zuverhindern, dass es in das Druckluftnetzgelangt. Ein Nachkühler kann entweder mitWasser oder mit Luft gekühlt werden undsollte immer einen Wasserabscheider undeinen automatischen Ableiter besitzen.

3.2.7 Wasserabscheider

Die meisten Druckluftanlagen sind heute miteinem Nachkühler und einem Wasserab-

scheider ausgestattet, um so viel Kondensatwie möglich aus der Druckluft zu entfernen.Bei richtiger Auswahl und Dimensionierungkönnen Wasserabscheider Wirkungsgradevon über 90 % erreichen. Das restliche Kon-densat gelangt zusammen mit der Druckluftin den Druckluftbehälter.

3.2.8 Öltropfen

Öltropfen werden in Nachkühlern undWasserabscheidern abgeschieden und vermi-schen sich dort mit dem kondensiertenWasser. Dieses Öl-Wasser-Gemisch muss wieAltöl behandelt werden und darf unter kei-nen Umständen in die Kanalisation oder indie Umwelt gelangen.

Neue und strengere Gesetze erforderneinen immer sorgfältigeren Umgang mit die-sen Sonderabfällen. Das Sammeln und Ent-sorgen des Kondensates wird daher immeraufwändiger und kostenintensiver.

Eine einfache und günstige Lösung istdie Installation eines Kondensattrennsystems.Dieses System trennt das Wasser von dem Öl.Das Öl wird dabei gesammelt und kann an-schließend entsorgt werden, während dasWasser in die Kanalisation eingeleitet werdenkann. Die zu entsorgende Restölmenge wirdso erheblich reduziert.

3:14

Kondensattrennsystem mit Membrane. Die Membrane lässt nur die kleineren Wassermoleküle durch, während diegrößeren Ölmoleküle zurückgehalten werden und so gesammelt werden können.

Page 86: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

82

3:15

Offenes System mit Kreislaufwasser

3.3Kühlsysteme

3.3.1 Wassergekühlte Kompressoren

3.3.1.1 Allgemein

Eine wassergekühlte Anlage stellt nur gerin-ge Anforderungen an die Belüftung desKompressorraumes, da der weitaus größereWärmeanteil über das Kühlwasser abgeführtwird. Das Kühlwasser eines wassergekühltenKompressors transportiert ungefähr 90 % dervom Elektromotor aufgenommenen Leistung. Bei der Auslegung eines Kühlwassersystemskann zwischen drei verschiedenen Variantengewählt werden: ein offenes System ohneKreislaufwasser, ein offenes System mit Kreis-laufwasser und ein geschlossenes System.

3.3.1.2Offenes System ohne Kreislauf

Bei einem offenen System ohne Kreislauf-wasser stammt das Kühlwasser entweder ausder städtischen Versorgung, aus einem See

oder aus einem Fluss. Das Wasser wird nurein einziges Mal zur Kühlung des Kom-pressors verwandt und anschließend wie Ab-wasser behandelt. Um eine gleich bleibendeTemperatur zu gewährleisten und um denWasserverbrauch zu steuern, sollte ein Ther-mostat die Steuerung des Zulaufes überneh-men. Der Kühlwasserdruck darf den zulässi-gen Maximaldruck nicht übersteigen.

Ein offenes System ist zwar einfach undkostengünstig zu installieren, aber der Be-trieb ist, besonders bei der Verwendung vonStadtwasser, sehr teuer. Wasser aus einem Seeoder Fluss kann zwar meistens kostenlos ent-nommen werden, muss aber, um eine Ver-schlammung der Kühler zu verhindern, gefil-tert und aufbereitet werden, bevor es zurKühlung eingesetzt werden kann. Ein mine-ralhaltiges Wasser führt leicht zur Entstehungvon Kesselstein in den Kühlern, der dieKühlung verschlechtert. Auch Salzwasser istnicht unproblematisch, kann jedoch bei rich-tiger Materialauswahl als Kühlwasser ver-wendet werden.

Page 87: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

83

3:16

Schnittbild eines Platten-wärmetauschers. Der Vorteileines Plattenwärmetauschers

ist die leichte Reinigung.Dies ermöglicht die Verwen-dung von Flusswasser zur

Kühlung.

3.3.1.3Offenes System mit Kreislauf

Bei einem offenen System wird das Wasserim Kreislauf gefahren und in einem Kühl-turm zurückgekühlt.

Während Umgebungsluft in den Kühl-turm geblasen wird, wird gleichzeitig dasWasser im Kühlturm zerstäubt, tropft nachunten und verdunstet zum Teil. Durch die soentstehende Verdunstungskälte wird dasWasser auf eine Temperatur von 2 °C (abhän-gig von Temperatur und Feuchte) unter dieUmgebungstemperatur abgekühlt. OffeneSysteme mit Kreislaufwasser werden oftdann eingesetzt, wenn Kühlwasser knapp ist.Der Nachteil besteht darin, dass das Wasserdurch in der Luft enthaltene Verunreinigun-gen verschmutzt wird und sich diese Verun-

reinigungen im Wasser ansammeln. Das ver-dunstete Wasser muss kontinuierlich durchfrisches Wasser ersetzt werden.

Setzen sich Verunreinigungen auf demMetall ab, reduziert dies die Kühlleistung desKühlturmes. Das Wasser muss regelmäßiguntersucht und mit Chemikalien geimpftwerden, um das Wachstum von Algen,Mikroorganismen und Bakterien zu verhin-dern. Während des Winters muss bei Kom-pressorstillstand das Wasser im Kühlturmabgelassen oder beheizt werden.

3.3.1.4 Geschlossene Systeme

Bei einem geschlossenen System zirkuliertdasselbe Wasser immer wieder zwischen demKompressor und dem Kühler. Dieser Kühlerwird entweder mit Wasser oder mit Um-gebungsluft gekühlt. Wird ein weiterer

Kompressor

3:17

In einem geschlossenen System mitWasser/Glykol oder Öl als Kühlmedium

kann oft ein einfacher luftgekühlterWärmetauscher eingesetzt werden. Beiaggressiven Umgebungsbedingungenoder Kühlmedien wird meistens ein

Wärmetauscher aus Edelstahl oder ausTitan verwendet.

Page 88: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

84

3:19

Beispiel eines geschlossenen Kühlsystems. Der Wärmetauscher kann entweder mit Luft oder mit Wasser gekühlt werden.

Wasserkreislauf zur Kühlung verwendet,kann meist ein kleinerer Wärmetauscher ver-wendet werden.

Wenn Wasser mit Umgebungsluft ge-kühlt wird, besteht der Kühler oft aus mehre-ren Einzelelementen, die miteinander ver-bunden sind. Die Umgebungsluft wird mit-tels eines einzelnen oder mehrerer Ventilato-ren durch den Kühler gedrückt. Oft wird dieLuft grob gefiltert, um ein Verschmutzen desKühlers zu verhindern. Diese Methode wirdmeistens angewandt, wenn Kühlwasser knappist. Die Kühlkapazität eines offenen oder ge-schlossenen Systems ist annähernd gleich.Das Kühlwasser kann auf bis zu 5 °C über dieKühlmediumtemperatur abgekühlt werden.

Wird das Kühlwasser mit Umgebungs-luft gekühlt, muss das Wasser ausreichendmit einem Frostschutzmittel vermischt wer-den, um ein Einfrieren des Kühlers währenddes Winters bei Kompressorstillstand zu ver-hindern. Dabei ist zu beachten, dass durchZusatz des Frostschutzmittels die Wärmeka-pazität des Wassers sinkt. Um dies auszuglei-chen, muss entweder der Kühlwasserstrom

erhöht oder eine größere Erwärmung desWassers zugelassen werden. Oft bietet es sichan, während der warmen Jahreszeit mit rei-nem Wasser zu arbeiten und die Wasser-Glykol-Mischung erst vor dem Winter einzu-füllen. Der Zusatz von anderen Wasseraddi-tiven kann ebenfalls zu einer Veränderungder Wärmekapazität des Wassers führen.

Es ist sehr wichtig, dass das gesamteKühlwassersystem vor dem ersten Befüllengründlich gereinigt wird. Ein richtig instal-

3:18

Das Kühlwasser muss durch Frostschutzmittel vordem Gefrieren geschützt werden. Bei der Auslegungdes Kühlers muss darauf geachtet werden, dass dasFrostschutzmittel die Wärmekapazität des Wassers

verringert.

Page 89: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

85

große und meistens ungenutzte Möglichkei-ten der Energieeinsparung in Form einerWärmerückgewinnung. Bei größeren Anla-gen betragen die Energiekosten oft bis zu80 % der Gesamtkosten einer Druckluftan-lage. Bis zu 94 % der dem Kompressor zuge-führten Leistung kann, in Form von bis zu90 °C heißem Wasser, zurückgewonnen wer-den. Dies bedeutet, dass sich eine Investitionin eine Wärmerückgewinnung schnell be-zahlt macht.

Eine Kompressorstation mit einem Leis-tungsbedarf von 500 kW verbraucht bei8.000 Betriebsstunden im Jahr insgesamt4 Millionen Kilowattstunden. Die Möglich-keiten, diese Leistung in Form von heißerLuft oder heißem Wasser zurückzugewinnen,sind gut.

Normalerweise werden die zusätzlichenInvestitionskosten für eine Wärmerückge-winnungsanlage bereits nach 1 bis 3 Jahrendurch die Energieeinsparungen wieder aus-geglichen. Zusätzlich verbessert das konstan-tere Temperaturniveau einer Wärmerück-gewinnung in einem geschlossenen Systemdie Betriebsbedingungen und erhöht die

3:20

Wärme entsteht bei jeder Verdichtung von Luft und kann in Form von heißem Wasser zurückgewonnen werden

liertes Kühlwassersystem erfordert nurwenig Überwachung und verursacht nurgeringe Wartungskosten. Bei Verwendungeines stark aggressiven Kühlwassers solltebesonders auf die Materialauswahl geachtetwerden, um eine vorzeitige Korrosion zu ver-hindern.

3.4Wärmerückgewinnung

3.4.1 Allgemein

Wenn Luft verdichtet wird, entsteht Wärme.Diese Wärme befindet sich in der Druckluftund wird bereits weitgehend im Kompressoraus der Luft entfernt, bevor diese in dieDruckluftleitung strömt. Bei jeder Druckluft-anlage muss sichergestellt werden, dassimmer eine ausreichende Kühlung zur Ver-fügung steht. Diese Kühlung kann entwedermit Umgebungsluft oder mit einem Kühl-wassersystem, das mit Stadtwasser, Fluss-wasser oder mit Prozesswasser betriebenwird, geschehen.

Bei vielen Druckluftanlagen gibt es

Page 90: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

86

Verfügbarkeit und die Lebensdauer derAnlagenteile.

Eine Wärmerückgewinnung stellt eineseit langem bewährte Möglichkeit der Kosten-reduzierung dar, schont die Umwelt und soll-

te daher bereits in die Planung einer Druck-luftstation integriert werden. Die meistenKompressoren sind schon ab Werk für denAnschluss an eine Wärmerückgewinnungvorbereitet.

3:21

Das Diagramm zeigt einige typische Anwendungen für eine Wärmerückgewinnung bei Kompressoren mitunterschiedlichen Wärmeniveaus. Je höher die Temperatur, desto höher die zurückgewinnbare Energiemenge.

3:22

Jede Kompressoranlage bietet Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung. Bei einem ölfrei verdichtenden Kompressorkönnen bis zu 94 % der dem Kompressor zugeführten Energie wieder zurückgewonnen werden.

Page 91: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

87

3.4.2 Berechnung derzurückgewinnbaren Wärmemenge

Prinzipiell wird die gesamte dem Kompres-sor zugeführte Energiemenge in Wärme um-gewandelt. Je mehr man von dieser Energiezurückgewinnen und in anderen Anlagenwiederverwenden kann, desto höher ist derWirkungsgrad der Anlage. Die Menge derzurückgewinnbaren Energie lässt sich wiefolgt berechnen:

Wärmemenge in kWh pro Jahr:

W = ([K1 · Q1] + [K2 · Q2]) · TR

Einsparung/Jahr: W · ep / ηEingespartes Öl/Jahr: W/68000 · η

W = Zurückgewonnene Energiein Wh/Jahr

TR = Zeit pro Jahr, während der Energieverwendet werden kann

K1 = Anteil an TR, während derder Kompressor belastet läuft

K2 = Anteil an TR, während der der Kompressor entlastet läuft

Q1 = Verfügbare Leistung im Kühlsystem bei belastetem Kompressor (kW)

Q2 = Verfügbare Leistung im Kühlsystem bei entlastetem Kompressor (kW)

ep = Energiepreisη = Wirkungsgrad einer normalen

Heizung

In vielen Fällen kann der Anteil derzurückgewonnenen Energie auf über 90 %gesteigert werden, wenn die gewonneneEnergie sorgfältig eingesetzt wird. Die Ar-beitsweise des Kühlsystems, die Entfernungzum Verbraucher und die Dauer des Bedarfssind allerdings entscheidende Faktoren.Bei sehr großen zur Verfügung stehenden

Wärmemengen kann es interessant sein, dieWärme zu verkaufen. Der Käufer kann zumBeispiel der Energielieferant sein.

Eine Wärmerückgewinnung lohnt sichaber nur dann, wenn die zur Verfügungstehende Wärmemenge auch wirklich ver-braucht werden kann. Bei der Kalkulationsollte daher immer mit realistischen Wertengerechnet werden.

3.4.3 Methoden

3.4.3.1 Allgemein

Eine Wärmerückgewinnung bei Kompres-soren erzeugt nicht immer genau dannWärme in ausreichender Menge, wenn diesegerade benötigt wird.

3:23

Zurückgewinnbare Energie bei Kompressoren

Page 92: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

88

3:25

Wärmerückgewinnung beieinem wassergekühlten, ölfreien

Schraubenkompressor

Die zurückgewinnbare Energiemengeverringert sich zum Beispiel sofort, wenn derKompressor entlastet läuft, oder entfällt voll-ständig, wenn der Kompressor stoppt. Daherist es sinnvoll, die Wärmerückgewinnungnur als zusätzliche Energiequelle zu betrach-ten und nicht als Ersatz für die bisher ver-wendete Energiequelle.

Ähnliches gilt auch für die Kühlung derKompressoren. Wird die Wärme nicht abge-nommen, muss eine Notkühlung für dieKompressoren zur Verfügung stehen.

3.4.3.2 Luftgekühlte Systeme

Ein luftgekühlter Kompressor benötigt einenrelativ großen Kühlluftstrom mit einer mög-lichst niedrigen Temperatur. Die warme Ab-luft kann zum Beheizen eines Gebäudes oderüber einen Wärmetauscher zum Vorheizenverwendet werden. Die warme Luft mussüber Kanäle mit einem oder mehreren Venti-latoren verteilt werden.

3:24

Wärmerückgewinnung bei einem luftgekühltenKompressor

Wenn die warme Luft nicht zum Heizenbenötigt wird, muss die Abwärme in dieAtmosphäre abgegeben werden.

Die Entfernung zwischen dem zu behei-zenden Gebäude und dem Kompressor solltemöglichst kurz sein, um einen Wärmeverlustzu verhindern. Ideal ist es, das Gebäude, in

Page 93: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

89

3:26

Wärmerückgewinnung bei einem wassergekühlten, öleingespritzten Schraubenkompressor.Der Wärmetauscher wird in den Kompressor eingebaut.

dem sich der Kompressor befindet, zu behei-zen. Die Heizmöglichkeiten beschränken sichauf die kalte Jahreszeit. Die Wärmerückge-winnung aus der Kühlluft wird meistens nurbei kleineren und mittleren Kompressorenangewandt. Diese Art der Wärmerückgewin-nung ist relativ kostengünstig.

3.4.3.3 Wassergekühlte Systeme

Bei wassergekühlten Kompressoren kannman mit einer Wärmerückgewinnung Wasserauf bis zu 90 °C erwärmen. Selbst wenn mitdiesem heißen Wasser der komplette Wasser-bedarf zum Waschen, Reinigen oder zumDuschen erfüllt werden kann, wird der nor-male Wassererhitzer trotzdem weiterhin be-nötigt. Die von der Druckluftanlage zurück-gewonnene Energie steht nur zusätzlich undunregelmäßig zur Verfügung und dient dazu,

den normalen Wassererhitzer zu entlastenund so Energie einzusparen.

Die Voraussetzungen für eine Wärme-rückgewinnung bei Kompressoren hängenzum Teil vom Kompressortyp ab. Ölfrei ver-dichtende Kompressoren können in derStandardausführung leicht mit einer Wärme-rückgewinnung ausgestattet werden. DieserKompressortyp erreicht auch die für eine effi-ziente Wärmerückgewinnung erforderlichenhohen Wassertemperaturen von 90 °C.

Bei öleingespritzten Kompressoren ver-hindert das Öl, das für den Verdichtungsvor-gang benötigt wird, das Erreichen von hohenWassertemperaturen.

Bei Turbokompressoren sind die Tempe-raturniveaus allgemein niedriger, so dassauch die Möglichkeiten der Wärmerückge-

Page 94: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

90

gekühlten, ölgeschmierten Kompressoreneine Wärmerückgewinnung mit einem Kühl-wasserkreislauf zu installieren. Dies erfordertlediglich einen zusätzlichen Wärmetauscherim Ölkreislauf. Die maximal erreichbarenTemperaturen sind allerdings niedriger alsbei einem ölfreien Kompressor.

3.5Der Kompressorraum

3.5.1 Allgemein

Es ist noch gar nicht so lange her, dass manzusätzlich zum Kompressor einen Elektro-motor, Motorstartgeräte, Nachkühler undeinen Ansaugfilter kaufen und montierenmusste, um eine vollständige Maschine zuerhalten.

Dabei mussten die Anforderungen undSchnittstellen mit jedem einzelnen Anbieterabgesprochen werden, um sicherzustellen,dass alle Teile montiert werden konnten undder Kompressor ordnungsgemäß funktio-nierte. Heutzutage werden Kompressoren alsschlüsselfertige Anlagen geliefert. Jeder Kom-

3:27

Der Aufbau eines Kompressorraumes ist heute einfacher als früher. Meistens sind die einzelnen Anlagenteilebereits betriebsbereit und können leicht montiert und angeschlossen werden.

winnung schlechter sind. Außerdem würdedie Leistung des Kompressors durch höhereKühlwassertemperaturen beeinträchtigt.

Eine Wärmerückgewinnung aus demKühlwasser sollte nur bei Kompressoren miteiner Antriebsleistung von mehr als 10 kWerfolgen. Die Wärmerückgewinnung aus demKühlwasser erfordert eine komplexere In-stallation als bei einer Wärmerückgewin-nung aus der Kühlluft. Grundsätzlich werdenimmer zusätzliche Pumpen, Wärmetauscherund Regelventile benötigt.

Bei einer Wärmerückgewinnung ausdem Kühlwasser lässt sich die gewonneneWärme leicht und ohne große Verluste mitrelativ kleinen Rohren über große Entfernun-gen verteilen. Das hohe Temperaturniveaukann dazu genutzt werden, die Temperaturdes Rücklaufwassers eines Erhitzers zuerwärmen. So kann, wenn der Kompressorbetrieben wird, der normale Erhitzer entlastetoder sogar abgeschaltet werden. In derProduktion kann die Abwärme von Kom-pressoren oft zu Heizzwecken benutzt wer-den. Es ist außerdem möglich, selbst bei luft-

Page 95: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

91

pressor besitzt einen Grundrahmen, auf demalle einzelnen Komponenten montiert wer-den. Alle erforderlichen internen Verbindun-gen zwischen den verschiedenen Bauteilensind bereits vorhanden. Der gesamte Kom-pressor wird zusätzlich mit einer Schallhaubeausgestattet, um den Schalldruckpegel zureduzieren.

Insgesamt hat diese Entwicklung dazugeführt, dass die Installation eines Kompres-sors viel einfacher geworden ist und manheute sicher sein kann, dass alle Teile korrektausgelegt sind und zuverlässig funktionieren.Unabhängig davon ist es aber wichtig zu wis-sen, dass die Installationsart und die Technikimmer noch einen entscheidenden Einflussdarauf haben, ob die Anlage dauerhaft zuver-lässig und effizient betrieben werden kann.

Grundsätzlich sollte für die Aufstellungvon Kompressoren ein eigener Raum zurVerfügung stehen. Erfahrungsgemäß ist einezentrale Anordnung der Kompressoren sinn-voller. Unter anderem ermöglicht diese An-ordnung eine einfachere Überwachung, einbesseres Design, eine höhere Nutzer- undServicefreundlichkeit, eine bessere Zugangs-kontrolle zum Kompressorraum, einen besse-ren Schallschutz und eine einfachere Belüf-tungsanlage.

Ein in einem Gebäude abgegrenzterBereich oder ein einzelner Raum kann gut alsKompressorraum verwendet werden. Bei derAuswahl des Ortes sollten folgende Aspektebeachtet werden: die Schallabstrahlung derKompressoren, die Möglichkeiten zur Belüf-tung des Raumes, die Wärmeabfuhr aus demKompressorraum, die Kondensatentsorgung,die Existenz von explosiven oder aggressivenSubstanzen in der Luft oder der Umgebung,der Raumbedarf für zukünftige Erweite-rungen und die Zugangsmöglichkeiten für dieWartung. Falls im Inneren eines Gebäudes

kein Platz vorhanden ist, können dieKompressoren auch im Freien unter einemSchutzdach aufgestellt werden. Allerdingsmüssen dann das Kondensat vor dem Ein-frieren bewahrt, die Luftansaugung vor Eisund Schnee geschützt, die Zuluft- und Ab-luftführung sichergestellt, eine ebene Auf-stellfläche aus Beton oder Asphalt geschaffen,ein Schutz gegen Staub und andere aggressi-ve Medien errichtet und eine Zugangskon-trolle ermöglicht werden.

3.5.2 Aufstellung und Auslegung

Der zentrale Kompressorraum sollte so plat-ziert werden, dass die Verteilung der Druck-luft auch bei einem großen Druckluftnetz soeinfach wie möglich wird. Es kann ausService- und Wartungsgründen von Vorteilsein, den Kompressorraum so nahe wie mög-lich an andere Anlagen, wie Pumpen undLüfter, zu setzen. Sogar eine Platzierungneben dem Heizraum kann von Vorteil sein.

Der Kompressorraum sollte auch eineHubvorrichtung besitzen, um die schwerstenBauteile des Kompressors (gewöhnlich derElektromotor) bewegen zu können. Auch einGabelstapler sollte sich im Raum noch bewe-gen können. Oft macht es sich bezahlt, bereitsetwas Platz für eine mögliche Erweiterungder Kompressoranlage vorzusehen.

Auch die Raumhöhe sollte ausreichendsein, um zum Beispiel einen Motor oderandere Bauteile anheben und versetzen zukönnen. Der Kompressorraum sollte aucheinen Anschluss an die Kanalisation aufwei-sen, um das Kondensat von den Kompres-soren, Nachkühlern und Trocknern zuerstaufbereiten und dann ableiten zu können.Die Aufbereitung muss dabei den örtlichenVorschriften genügen.

Page 96: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

92

3.5.3 Fundamente

Normalerweise reicht ein ebener Boden mitausreichender Tragfähigkeit aus, um einenKompressor aufzustellen. Da die erforderli-chen Vibrationsdämpfer meistens bereits imKompressor eingebaut werden, sind keineweiteren Maßnahmen erforderlich. Oft wirdjeder Kompressor auf eine kleine Betonplattegestellt, um die Reinigung des Bodens zu er-leichtern.

Große Kolben- und Turbokompressorenerfordern unter Umständen ein Fundament,das fest im Untergrund und getrennt vomGebäudefundament verankert werden muss.Bei modernen Schraubenkompressoren wur-den die Einflüsse von Vibrationen auf einMinimum reduziert. Bei Anlagen mit Turbo-kompressoren kann es unter Umständen er-forderlich sein, durch zusätzliche Maßnah-men die in den Boden des Kompressorrau-mes eingeleiteten Vibrationen zu dämpfen.

3.5.4 Ansaugluft

Die Ansaugluft eines Kompressors muss sau-ber und frei von festen und gasförmigen

Verunreinigungen sein. Staubpartikel undkorrosive Gase in der Ansaugluft können zuerhöhtem Verschleiß und Schäden amKompressor führen.

Normalerweise wird die Luft innerhalbder Schallhaube angesaugt. Besondere Um-stände aber, wie zu hohe Raumtemperaturenoder starke Verschmutzungen, lassen esmanchmal als sinnvoll erscheinen, die Luftvon einem anderen, saubereren Ort anzusau-gen. Gasverunreinigungen, wie die Abgaseeines Verbrennungsmotors, können schlimmeAuswirkungen haben, wenn die Luft eingeat-met werden soll. Krankenhäuser stellendaher ganz besonders hohe Anforderungenan den Ort der Luftansaugung. Wenn dieUmgebungsluft zu viel Staub enthält, sollteein Vorfilter (Zyklon oder Rollbandfilter) ein-gesetzt werden. In diesen Fällen muss aufden Druckverlust des Vorfilters geachtet wer-den, damit dieser nicht zu einem unzulässighohen Druckverhältnis beim Kompressorführt.

Die angesaugte Luft sollte so kalt wiemöglich sein. Dies kann leicht realisiert wer-den, indem die Luft über Kanäle von außen

3:28

Es ist wichtig, ein servicefreundliches Layout des Kompressorraumes zu entwickeln und Raum für zusätzlicheErweiterungen einzuplanen. Um den Service zu erleichtern, sollte ein Mindestabstand von 1.200 mm um die

Kompressoren herum freigehalten werden.

Page 97: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

93

angesaugt wird. Die Kanäle sollten rostfreisein und mit einem Wetterschutzgitter ab-gedeckt werden, um zu verhindern, dassSchnee, Regen oder andere Gegenstände vomKompressor mit angesaugt werden.

Es ist sehr wichtig, solche Ansaugrohreausreichend zu dimensionieren, um denDruckverlust so niedrig wie möglich zuhalten.

Die Auslegung von Ansaugrohren fürKolbenkompressoren ist besonders kritisch.Bei falscher Auslegung können Resonanzen,die durch den Kompressor entstehen, zuSchäden am Kompressor, zu zusätzlichenVibrationen und zu einem erhöhten Schall-druck führen.

3.5.5 Belüftung

Jeder Kompressor in einem Kompressorraumstrahlt Wärme ab. Diese Wärme muss durcheine ausreichende Belüftung abgeführt wer-den. Die Stärke der Belüftung hängt von derKompressorgröße und vom eingesetztenKühlmedium ab.

3:29

Beispiel einer einfachen Belüftung. Nachteilig ist hier,dass die Belüftung unabhängig von der Außentem-

peratur erfolgt. Zusätzliche Probleme können bei derInstallation von zwei Kompressoren auftreten. Wirddann nur ein Kompressor betrieben, sind die Lüfter

überdimensioniert. Das Problem kann durch dieInstallation von drehzahlgeregelten, thermostatisch

gesteuerten Lüftermotoren gelöst werden.

3:30

Das Bild zeigt eine Belüftungsanlage mit mehrerenthermostatisch geregelten Lüftern, die gemeinsam dieBelüftung im Raum sicherstellen. Die Thermostatender einzelnen Lüfter werden gestaffelt eingestellt, sodass die Stärke der Belüftung in Abhängigkeit von

der Temperatur und von der Anzahl der Kom-pressoren geregelt wird (die Thermostaten schalten

die Lüfter in Abhängigkeit von der Raumtemperaturnacheinander ein bzw. aus). An Stelle von mehreren

Thermostaten können die Lüfter auch von einemmehrstufigen Thermostaten gesteuert werden.

Die Kühlluft muss bei luftgekühltenKompressoren fast 100 % der dem Kompres-sor zugeführten Leistung als Wärme aufneh-men. Bei wassergekühlten Kompressorenhandelt es sich dagegen nur um ca. 10 %.

Die Wärme muss abgeführt werden, umdie Temperatur im Kompressorraum aufeinem akzeptablen Niveau zu halten. Überdie dazu erforderliche Raumbelüftung kön-nen die Hersteller der Kompressoren genaueAngaben machen. Die Raumbelüftung lässtsich aber auch mit folgender Formel be-rechnen:

QV =

PV = Kühlluftvolumenstrom (m3/s)QV = Wärmemenge (kW)∆T = zulässiger Temperaturanstieg (°C)

Besser als die Abgabe der Wärme in dieAtmosphäre ist jedoch die Rückgewinnungbzw. Wiederverwendung der Energie.

PV

1,25 · ∆T

Page 98: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

94

Die Kühlluft sollte immer über mög-lichst kurze Kanäle von außen angesaugtwerden. Um möglichst kalte Kühlluft zuerhalten, empfiehlt es sich, die Ansaugöff-nung an der Nordseite des Gebäudes oderzumindest im Schatten anzuordnen.

Die Außenseite des Ansaugkanals sollteimmer mit einem Wetterschutzgitter ver-schlossen werden, um zu verhindern, dassfremde Objekte in den Kanal eindringen kön-nen. Gegebenenfalls muss bei längerenKanälen ein zusätzlicher Lüfter eingesetztwerden.

Die Ansaugöffnung ist so zu platzieren,dass die Öffnung im Winter nicht vomSchnee verdeckt werden kann. Weiterhin soll-te geprüft werden, ob die Gefahr besteht,dass durch diese Öffnung größere Staub-mengen, Abgase oder andere korrosive Gaseangesaugt werden können.

Um die warme Luft unter der Deckeerfassen zu können und nach außen zudrücken, müssen die Lüfter so hoch wie mög-lich im Kompressorraum angebracht werden.Die Lüfter sollten der Ansaugseite gegen-überliegen, um einen konstanten Luftstromdurch den Raum sicherzustellen. Die Ge-schwindigkeit der Luft darf beim Passierender Ansaugöffnung nicht größer als 4 m/ssein.

Meistens werden thermostatisch gesteu-erte Lüfter eingesetzt. Diese müssen sodimensioniert werden, dass die auftretendenDruckverluste im Wetterschutzgitter, im Kanalund im Schalldämpfer überwunden werdenkönnen. Der Kühlluftstrom muss so groß aus-gelegt werden, dass sich die Luft im Raumum nicht mehr als 7 bis 10 °C erwärmt. Ist dieInstallation einer ausreichend großen Be- undEntlüftungsanlage nicht möglich, sollte dieMöglichkeit geprüft werden, wassergekühlteKompressoren einzusetzen.

3.31

Unterschiedliche Möglichkeitender Be- und Entlüftung

Page 99: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

95

3:32

Aufstellungsplan einer größeren Anlage mit Außenansaugung

Belüftung eines kleinen Kompressors. Die Kondensatleitung kann direkt in die Kanalisation gelegt werden.Enthält das Kondensat allerdings Öl, ist zusätzlich ist ein Kondensattrennsystem zu installieren.

3:33

Page 100: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

96

3.6Die Druckluftverteilung

3.6.1 Allgemein

Um einen zuverlässigen und ökonomischenBetrieb zu ermöglichen, muss jede Druckluft-verteilung drei Anforderungen erfüllen:einen niedrigen Druckverlust zwischen Kom-pressor und Verbraucher aufweisen, einemöglichst niedrige Leckagemenge besitzenund eine möglichst gute Kondensatabschei-dung in der Leitung für den Fall haben, dasskein Trockner installiert worden ist.

Bei der Auslegung der Hauptleitungensollte bedacht werden, dass die zusätzlichenKosten für die Installation einer etwas grö-ßeren Leitung und größerer Armaturen rela-tiv niedrig sind, verglichen mit den Kosten,die entstehen, wenn die Leitungen später ver-größert werden müssen. Der Verlauf, dieAuslegung und die Dimensionierung desDruckluftnetzes entscheiden mit über diespätere Effizienz, die Zuverlässigkeit und dieBetriebskosten der Anlage. Ein großer Druck-verlust in der Leitung kann zwar durch dieErhöhung des Betriebsdruckes am Kompres-sor von zum Beispiel 7 auf 8 bar (e) kompen-siert werden. Dies lässt aber die Betriebs-kosten sofort stark ansteigen. Wenn derDruckluftverbrauch dann wieder fällt, fälltauch der Druckverlust, und der Druck amVerbraucher übersteigt eventuell das zuläs-sige Maß.

Ein fest installiertes Druckluftnetz sollteso ausgelegt werden, dass der Druckverlustzwischen dem Kompressor und dem am wei-testen entfernten Verbraucher einen Wert von0,1 bar nicht übersteigt. Nicht enthalten indiesem Wert ist der Druckverlust in denSchläuchen, Schlauchkupplungen und Arma-turen. Es ist aber besonders wichtig, auch bei

diesen Teilen auf eine ausreichend große Aus-legung zu achten, da erfahrungsgemäß hierdie größten Verluste entstehen.

Bei einem vorgegebenen Druckverlustlässt sich die zulässige Länge der Leitung wiefolgt bestimmen:

l =

l = Rohrleitungslänge (m)∆p = zulässiger Druckverlust

im Netz (bar)p = Absolutdruck im Netz (bar)Qc = Volumenstrom (l/s)d = Durchmesser der Rohrleitung (mm)

Meistens bietet sich die Installation einerRingleitung im Bereich der Druckluftver-braucher an. Von dieser Ringleitung könnendann einzelne Stichleitungen zu den Ver-brauchern gelegt werden. Dieses Designführt zu einem gleichmäßigen Druckluft-strom, da bei einem kurzzeitig hohen Ver-brauch die benötigte Druckluft aus zweiRichtungen zum Verbraucher strömen kann.

Diese Konstruktion empfiehlt sich selbstdann, wenn sich einige Verbraucher weit ent-fernt von der Kompressorstation befinden.Diese können dann gut über eine eigeneStichleitung mit Druckluft versorgt werden.

3.6.1.1 Druckluftbehälter

Ein oder mehrere Druckluftbehälter sollten inkeiner Druckluftanlage fehlen. Die Behälter-größe muss dabei der Kompressorgröße, demRegelsystem und dem Druckluftbedarf ange-passt werden. Die Druckluftbehälter gleichenPulsationen aus, erleichtern die Regelung derKompressoren, kühlen die Luft weiter ab undsammeln Kondensat. Daher muss auch jederBehälter über einen Kondensatablass ver-fügen.

∆p · d5 · p450 · Qc

1,85

Page 101: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

97

Die folgende Formel ermöglicht dieBerechnung des erforderlichen Behältervolu-mens, sofern alle Kompressoren eine Volllast-Leerlaufregelung besitzen.

V =

V = Behältervolumen (l)Qc = Volumenstrom (l/s)p1 = Ansaugdruck des

Kompressors (bar (a))T1 = Maximale Ansaugtemperatur

am Kompressor (K)T0 = Drucklufttemperatur im

Behälter (K)(pE – pB) = DruckbanddifferenzfMax = Max. zulässige Schaltfrequenz

= 1 Schaltung/30 Sekunden(gilt für Kompressoren vonAtlas Copco)

Vereinfachte Formel für eine Ansaugungbei 1 bar (a) und 20 °C und einer min.Zyklusdauer von 30 Sekunden.

V =

V = Behältervolumen (m3)Q = Volumenstrom des größten

Kompressors (m3/min)∆p = Druckbanddifferenz (bar)

Wenn ein großer Druckluftbedarf wäh-rend eines sehr kurzen Zeitraumes besteht,ergibt es keinen Sinn, den Kompressor unddas Druckluftnetz für diesen großen Bedarfauszulegen. In diesem Falle sollte ein zusätz-licher Behälter dicht am Verbraucher instal-liert werden.

Bei noch extremeren Fällen sollte einkleiner Kompressor zusammen mit einemgroßen Behälter eingesetzt werden, um einenkurzfristig großen Druckluftbedarf zu decken.Der Kompressor wird für den durchschnitt-lichen Druckluftbedarf ausgelegt. Die folgen-de Formel gibt für diesen Fall das erforder-liche Volumen des Behälters an:

V = =

V = Behältervolumen (l)Q = Spitzenluftbedarf (l/s)t = Länge des Spitzenbedarfs (s) p1 = Betriebsüberdruck (bar)p2 = minimal zulässiger Druck am

Verbraucher (bar)L = Gesamtluftbedarf bei einer

Entnahme (l)

Diese Formel berücksichtigt nicht, dassder Kompressor während jeder Spitzenbelas-tung weiter Luft liefert. Ein Beispiel für einesolche Installation ist der Start von großenSchiffsmotoren. Dort beträgt der Druck imBehälter bis zu 30 bar.

3:34

Besteht ein System aus mehreren Kompressoren, wirddie Größe des Behälters immer gemäß dem

Volumenstrom des größten Kompressors ausgelegt

0,25 · Qc · p1 · T0

fMax · (pE – pB) · T1

Q8 · ∆p

Q · t p1 – p2

Lp1 – p2

Page 102: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

98

3:35

3.6.2Auslegung des Druckluftnetzes

Bei kleineren Installationen kann dieselbeLeitung sowohl als Verteilungs- wie auch alsVerbindungsleitung eingesetzt werden. DieAuslegung eines Druckluftnetzes sollte im-mer damit beginnen, alle Verbraucher aufzu-listen und eine Zeichnung mit deren Aufstel-lungsort zu erstellen. Diejenigen Verbrau-cher, die durch eine gemeinsame Leitung mitDruckluft versorgt werden können, sollten inGruppen zusammengefasst werden. Die ein-zelnen Verteilungsleitungen werden von derHauptleitung mit Druckluft versorgt. Ein

großes Druckluftnetz besteht aus vier Teilen:der Hauptleitung, den Verteilungsleitungen,den Versorgungsleitungen und den An-schlussleitungen.

Die Hauptleitungen führen die Druck-luft vom Kompressorraum bis in den Bereichder Verbraucher. Dort sorgen die Verteilungs-und Verbindungsleitungen für die Verteilung,während die Anschlussleitungen die einzel-nen Verbraucher an den Arbeitsplätzen mitDruckluft versorgen. Die Druckluftarmaturenstellen dann die Verbindung zwischen demDruckluftnetz und den Verbrauchern her.

Page 103: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

99

3:36

Druckverlust unterschiedlicher Bauteile. Die Druckverluste werden auf eine äquivalenteRohrleitungslänge umgerechnet.

3.6.3 Dimensionierungdes Druckluftnetzes

Der direkt hinter den Kompressoren erreichteBetriebsdruck kann im Allgemeinen niemalsvollständig ausgenutzt werden, da bei derVerteilung immer Verluste entstehen. Zu-sätzlich entstehen in jedem Ventil und beijedem Richtungswechsel der Druckluftlei-tung weitere Verluste. Diese Verluste machensich in Form eines Druckverlustes bemerkbar.

Für eine gerade Leitung kann dieser Druck-verlust wie folgt berechnet werden:

∆p = 450 ·

∆p = Druckverlust (bar)qv = Volumenstrom (l/s)d = Rohrdurchmesser (mm)l = Rohrleitungslänge (m)p = Betriebsdruck (bar (a))

qv1,85 · l

d5 · p

Page 104: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

100

Für die Auslegung der einzelnen Teileeines Druckluftnetzes können folgende Werteals zulässige Richtgrößen für die jeweiligenDruckverluste herangezogen werden.

Druckverluste über

Anschlussleitungen 0,03 bar

Verteilungsleitungen 0,05 bar

Hauptleitung 0,02 bar

Druckverlust über die gesamte

Druckluftleitung 0,1 bar

In einem ersten Schritt werden die erfor-derlichen Längen der einzelnen Abschnitte

des Druckluftnetzes (Haupt-, Verteilungs-und Anschlussleitungen) geschätzt. Einemaßstäbliche Zeichnung der Druckluftver-teilung kann dabei sehr hilfreich sein. Bei derBestimmung der Gesamtlänge der Leitungwerden die Einflüsse der Ventile, Drosselnund Bögen durch Addition der äquivalentenRohrleitungen zur Nettolänge der Leitung,wie im Bild 3:36 beschrieben, berücksichtigt.Um jetzt den Rohrleitungsdurchmesser abzu-schätzen, kann entweder ein Nomogram(Bild 3:37) benutzt werden oder es wird dieauf der Seite 99 angegebene Formel verwen-det. Um den Durchmesser bestimmen zukönnen, müssen der Volumenstrom, der Be-

3:37

Page 105: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

101

triebsdruck, der zulässige Druckverlust unddie Rohrleitungslänge bekannt sein. Nachdieser Berechnung wird für den Rohrdurch-messer zunächst der nächstgrößere Standard-durchmesser festgesetzt.

Da sich jetzt der Rohrdurchmesser geän-dert hat, muss die Berechnung wiederholtwerden. Die für den neuen Durchmesser gel-tenden äquivalenten Rohrleitungslängen derTeile des Druckluftnetzes, wie Ventile undArmaturen, können wieder aus der Tabelleentnommen werden und drücken, in Rohr-leitungsmetern angegeben, deren Strömungs-widerstand aus. Diese „zusätzlichen“ Rohr-leitungsmeter werden zur tatsächlichenLänge der Leitung addiert. Nun wird derDruckverlust für den neuen Rohrdurch-messer berechnet, um sicherzugehen, dassder zulässige Wert nicht überschritten wird.Geschieht dies doch, ist die Berechnung mitdem nächstgrößeren Rohrdurchmesser zuwiederholen. Bei großen Druckluftnetzensollte diese Berechnung für die einzelnen Ab-schnitte (Hauptleitung, Versorgungsleitun-gen, Verteilungsleitungen) getrennt erfolgen.

3.6.4 Volumenstrommessung

Günstig platzierte Volumenstrommessgeräteerlauben es, die Druckluftverteilung inner-halb einer Anlage zu kontrollieren und abzu-rechnen. Druckluft trägt mit zu den Produk-tionskosten jeder Abteilung bei und solltedaher auch separat berechnet werden. Nur

bei einer solchen transparenten Betrachtungs-weise wird es für jeden interessant, seineneigenen Druckluftverbrauch und damit auchdie Betriebskosten zu senken.

Die heute auf dem Markt verfügbarenVolumenstrommessgeräte erlauben es, dieMessergebnisse entweder einfach vom Dis-play abzulesen oder einen Computer anzu-schließen, um direkt eine Auswertung undAbrechnung erstellen zu können.

Meistens werden die Volumenstrom-messgeräte dicht bei Absperrorganen in derDruckluftleitung installiert. Eine Ringleitungstellt besondere Ansprüche an eine Messung,da Druckluftvolumenströme in beide Rich-tungen erfasst werden müssen.

3.7Fahrbare Kompressoren

3.7.1 Allgemein

Fast alle fahrbaren Kompressoren bestehenaus einem von einem Dieselmotor angetrie-benen, öleingespritzten Schraubenkompres-sor. Ölfrei verdichtende, fahrbare Kompres-soren werden nur in einigen Bereichen derProzessindustrie eingesetzt.

3.7.2 Schall- und Abgasemissionen

Moderne, von einem Diesel angetriebeneKompressoren haben einen niedrigen Schall-pegel gemäß der EU-Vorschrift ISO 84/536/EG und können daher in bewohnten Gegen-

Fahrbare Kompressoren sind hauptsächlich für drei verschiedene Druckbereiche verfügbar

3:38

Druckbereich Druck (bar) Anwendung

Niedrig ≥ 7 Arbeitsluft

Mittel 10 - 12 Blasen, schwere Arbeiten

Hoch ≤ 20 Bohren, geotechnischeUntersuchungen

Page 106: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

102

den und sogar in der Nähe von Kranken-häusern eingesetzt werden.

In den letzten Jahren wurde der Diesel-verbrauch durch Einsatz von wirtschaftliche-ren Schraubenelementen und sparsamerenDieselmotoren stark verringert. Dies ist be-sonders wichtig für Anwendungen, bei denender Kompressor über einen längeren Zeit-raum betrieben wird. Heutzutage existierenbereits Kompressoren, deren Abgase diestrengen Richtlinien der EURO-1-Norm unter-schreiten. Für Arbeiten in größeren Städtendürfen heute oft nur noch solch unweltfreund-liche Kompressoren eingesetzt werden.

3.7.3 Transport und Zubehör

Moderne fahrbare Kompressoren sind aufGrund ihrer hohen Zuverlässigkeit, des einfa-chen Service, der kompakten Abmessungenund des geringen Gewichtes sehr wirtschaft-lich. Sie werden auf einem Fahrgestell aufge-baut, das mit einer Geschwindigkeit von 30km/h oder 80 km/h bewegt werden darf.Wie für stationäre Kompressoren auch gibt esZubehör wie Nachkühler, verschiedene Filter,Nacherhitzer und Schmierölsysteme. Sie kön-nen mit einer zusätzlichen Kaltstartvorrich-tung oder einem Generator für 230 V / 400 Vausgestattet werden. Für einen größerenStrombedarf ab 10 kVA stehen fahrbare Gene-

ratoren zur Verfügung, die, ähnlich einemfahrbaren Kompressor, von einem Diesel-motor angetrieben werden.

3.8Elektroinstallation

3.8.1 Allgemein

Um eine Kompressoranlage auszulegen undzu installieren, muss man wissen, wie sichdie einzelnen Komponenten gegenseitig be-einflussen und wie diese gesteuert werdenmüssen.

In diesem Kapitel folgt nun einÜberblick über die Aspekte der elektrischenInstallation einer Druckluftanlage, die beson-ders berücksichtigt werden sollten, um einezuverlässige Anlage zu bekommen.

3.8.2 Antriebsmotoren

Meistens werden Drehstrom-Asynchronmo-toren mit Kurzschlussläufern für den An-trieb eines stationären Kompressors benutzt.Bis zu einer Antriebsleistung von 450 kWwerden meistens Niederspannungsmotoreneingesetzt, während Hochspannungsmotorenfür größere Leistungen die bessere Wahl sind. Die verschiedenen Motorschutzklassen sinddurch Normen festgelegt. Ein gegen Staub

3:39

Fahrbarer Kompressor

Page 107: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

103

und Wasserspritzer geschützter Motor (IP54)wird meist gegenüber einem offenen Motor(IP23), der regelmäßig gesäubert werdenmuss, bevorzugt. Wird diese Reinigung ver-nachlässigt, droht durch die Verschmutzungeine Überhitzung des Motors und damit eineVerkürzung der Lebensdauer.

Der von einem Lüfter gekühlte Motorkann bis zu einer Umgebungstemperatur von40 °C eingesetzt werden. Bei noch höherenTemperaturen muss die Leistungsaufnahmedes Motors reduziert werden. Der Motorwird gewöhnlich angeflanscht und direkt mitdem Kompressor verbunden. Die Drehzahlkönnte zwar theoretisch dem Kompressorangepasst werden, in der Praxis werdenjedoch nur 2- oder 4-polige Motoren verwen-det, mit festen Drehzahlen von 3.000 1/minbzw. 1.500 1/min.

Die erforderliche Nennleistung desMotors wird durch die Anforderungen desKompressors bestimmt, sollte aber so dichtwie möglich daran liegen.

Ein zu großer Motor hat einen höherenPreis, erzeugt einen hohen Startstrom, be-nötigt große Sicherungen, hat einen schlech-

teren Wirkungsgrad und ist somit insgesamtunwirtschaftlich. Bei einem zu kleinen Motorbesteht die Gefahr, diesen zu überlastenund so einen Ausfall des Kompressors zuriskieren.

Die Anlassmethode sollte bei der Wahldes Motors auch berücksichtigt werden. Beieiner Stern-Dreieck-Einschaltung startet derMotor nur mit einem Viertel seines Nenn-drehmomentes. Daher müssen die Drehmo-mentkurven vom Motor und vom Kompres-sor sorgfältig miteinander verglichen werden,um einen zuverlässigen Start des Kompres-sors sicherzustellen. Siehe auch 3.8.3

3.8.3 Anlassmethoden

Die am häufigsten verwendeten Anlass-methoden sind die Direktschaltung, dieStern-Dreieck-Einschaltung und der Sanft-anlauf. Die Direkteinschaltung ist einfach zurealisieren und erfordert nur ein Leistungs-schütz und einen Überlastschutz. Der Nach-teil ist der beim Start entstehende hoheAnlaufstrom. Dieser ist 6- bis 10-mal so hochwie der Motornennstrom, und manchmalkann das auftretende hohe StartdrehmomentSchäden an der Welle oder an der Kupplungdes Kompressors verursachen.

Die Stern-Dreieck-Einschaltung wird ver-wendet, um hohe Startströme zu verhindern.Der Anlasser besteht aus drei Leistungs-schützen, einem Überlastschutz und einemZeitglied. Der Motor wird im Stern gestartet,und nach einer bestimmten Zeit (bei Errei-chen von 90 % der Nenndrehzahl) schaltetdas Zeitglied die Schütze so um, dass derMotor im Normalbetrieb, d. h. im Dreieck,betrieben wird. Siehe auch 1.6.5.7.

Die Stern-Dreieck-Einschaltung reduziertden Startstrom auf ungefähr ein Drittel desStartstromes beim Direktanlauf. Jedoch fällt

3:40

Stromverläufe unterschiedlicher Anlassmethoden

Page 108: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

104

das Startmoment dabei auf ein Viertel desNennmomentes ab. Das niedrige Startmo-ment führt dazu, dass die Motorbelastungwährend der Startphase nur gering sein darf,damit der Motor noch vor dem Umschaltenauf das Dreieck seine Nenndrehzahl errei-chen kann. Ist die Motordrehzahl in diesemMoment noch zu gering, entsteht beim Um-schalten eine hohe Strom- und Drehmoment-spitze, die so hoch ist wie beim Direktanlauf.

Die Alternative zur Stern-Dreieck-Ein-schaltung ist der Sanftanlauf. Dieser bestehtaus einem elektronischen Motorstarter, der anStelle von mechanischen Schützen Halbleiterverwendet. Die Halbleiter werden zeitlich soangesteuert, dass der Motor mit einem gleich-mäßig ansteigenden Strom versorgt wird. Soentsteht ein sanfter Start, der den Startstromauf ungefähr das Dreifache des Nennstromesbegrenzt.

Die Schütze für den Direktanlauf oderdie Stern-Dreieck-Einschaltung können meis-tens im Kompressor integriert werden. Nurbei sehr großen Kompressorinstallationensollte überlegt werden, ob aus Gründen desPlatzbedarfes, der Wärmeentwicklung oderder Wartungsfreundlichkeit die Schütze ineinem separaten Schaltschrank platziertwerden.

Ein elektronischer Motorstarter für einenSanftanlauf wird normalerweise immer sepa-rat in einem eigenen Schaltschrank unterge-bracht. Kompressoren mit einer Hochspan-nungsversorgung haben immer die Schalt-geräte in einem separaten Schaltschrank.

3.8.4 Steuerspannung

Meistens ist es nicht nötig, die Kompressorenmit einer separaten Steuerspannung zu ver-sorgen, da diese von einem eingebautenTransformator erzeugt wird. Die Primärseite

des Transformators wird dabei mit derLeistungsversorgung des Kompressors ver-bunden. Diese Methode führt zu einemzuverlässigeren Betrieb, da im Falle einesSpannungsausfalles der Kompressor sofortgestoppt und für einen Neustart blockiertwird.

Die Methode der internen Steuerspan-nungsversorgung sollte daher auch dannangewandt werden, wenn die Schaltgeräteseparat untergebracht sind.

3.8.5 Kurzschlusssicherung

Eine Kurzschlusssicherung kann aus Schmelz-sicherungen oder aus einem Überlastrelaisbestehen. Unabhängig davon, welches dieserBauteile verwendet wird, wird so, bei korrek-ter Auslegung, ein sicherer Schutz des Motorsgewährleistet.

Beide Methoden haben jedoch Vor- undNachteile. Schmelzsicherungen werden häu-fig eingesetzt und arbeiten bei hohen Kurz-schlussströmen besser als ein Überlastrelais.Allerdings trennen sie nicht vollständig undhaben bei kleinen Fehlerströmen eine langeReaktionszeit. Ein Überlastrelais isoliertselbst bei kleinen Strömen die Kreise schnellund vollständig, erfordert aber, verglichenmit Schmelzsicherungen, einen höheren Auf-wand bei der Planung und dem Bau desKompressors. Die Auslegung der Kurz-schlusssicherung richtet sich sowohl nach derzu erwartenden Belastung als auch nach denAnforderungen des Motorstarters.

Die Anforderungen an die Kurzschluss-sicherung sind in der IEC (InternationalElectrotechnical Commission) 947-4-1 Typ 1& 2 festgelegt. Wie stark ein Kurzschluss denStarter beschädigen kann, hängt davon ab, obTyp 1 oder 2 gewählt wird.

Page 109: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

105

Typ 1: „Schäden bei Schützen und Überlastrelais

sind möglich. Der Ersatz der Komponenten kann

erforderlich sein.“

Typ 2: „Es tritt ein Schaden am Überlastrelais auf.

Das Entstehen von Lichtbögen ist unzulässig. Es

sollte durch einfache Methoden möglich sein, den

Anlasser wieder betriebsbereit zu machen.“

3.8.6 Kabel

Kabel sollten immer so ausgelegt werden,dass sie während des normalen Betriebes nie-mals gefährlich hohen Temperaturen ausge-setzt werden und auch von einem Kurz-schluss weder mechanisch noch thermischbeschädigt werden können. Die Auslegungund Auswahl der Kabel hängt von derBelastung, dem zulässigen Spannungsabfall,der Verlegeanordnung (in einer Wanne, aufeiner Wand etc.) und der Umgebungstem-peratur ab. Sicherungen können verwendetwerden, um die Kabel sowohl gegen einenKurzschluss als auch gegen eine Überberlas-tung zu sichern. Zum Schutz des Motor-betriebes wird ein eigener Kurzschlussschutz(in der Regel Sicherungen) und ein eigenerÜberlastschutz (gewöhnlich der im Anlasserintegrierte Überlastschutz) verwendet.

Ein Überlastschutz schützt den Motorund die Motorkabel durch Trennen derSchütze, sobald der Strom einen vorher ein-gestellten Wert überschreitet. Die Kurz-schlusssicherung schützt den Anlasser, dieÜberlastsicherung und die Kabel. Die Aus-legung der Kabel, unter Berücksichtigung derjeweiligen Belastung, wird in der IEC 364 5523 (SS 4241424) beschrieben.

Bei der Auslegung der Kabel und derKurzschlusssicherung sollte ein weiterer As-pekt nicht vergessen werden, nämlich die„Abschaltbedingung“. Diese besagt, dass dieInstallation so ausgelegt sein sollte, dass jegli-cher Kurzschluss in der Installation zu einemschnellen und sicheren Abschalten derAnlage führt.

Ob diese Bedingung erfüllt wird, wirdunter anderem durch die Kurzschlusssiche-rung und durch die Länge und den Quer-schnitt der Kabel bestimmt.

3.8.7 Blindstromkompensation

Ein Elektromotor verbraucht nicht nur dieLeistung, die in mechanische Arbeit umge-wandelt wird, sondern auch eine Blind-leistung, die benötigt wird, um das Magnet-feld im Motor aufzubauen. Die Blindleistungbelastet Kabel und Transformatoren zusätz-lich. Das Verhältnis zwischen der Wirk- undBlindleistung wird von dem Leistungsfaktorcosϕ angegeben. Dieser liegt meistens, je nachMotorgröße, zwischen 0,7 und 0,9.

Der Leistungsfaktor kann künstlich auf1 vergrößert werden, indem die Blindleistungdurch einen Kondensator direkt im Motor er-zeugt wird. Es ist dann nicht mehr nötig, dieBlindleistung aus der Hauptversorgung zubeziehen. Ein Grund für diese Phasenkom-pensation kann sein, dass sich der Energie-lieferant das Beziehen der Blindleistungbezahlen lässt oder dass stark belastete Trans-formatoren und Kabel entlastet werdensollen.

3:41

Anschluss des Motors an das Stromnetz

Page 110: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

106

3.9Schall

3.9.1 Allgemein

Schall ist eine Energieform, die sich gleich-mäßig von einem Punkt im Raum ausbreitet.Die Bewegung dieser Schallwellen verursachtgeringe Druckschwankungen, die von einemempfindlichen Instrument, wie zum Beispieleinem Mikrofon, registriert werden können.Das Mikrofon stellt daher einen der Haupt-bestandteile eines Schallmessgerätes dar.

Die Messung der Schallleistung in derSI-Einheit Watt ist auf Grund der großenBandbreite der uns umgebenden Geräuscheschwierig. Um die Messung und Hand-habung der Schallleistungswerte zu vereinfa-chen, hat man den Begriff des Pegels einge-führt, der die Schallleistung immer in Bezie-hung auf einen Referenzwert angibt. MitHilfe des Logarithmus wird der Zahlenwertverkleinert und anschließend mit 10 multipli-ziert. Die Formel lautet:

Lw = 10 · log10 · W/W0

Lw = Schallleistungspegel (dB)W = Schallleistung (W)W0 = Schallreferenzleistung (W) = 10–12 W

3.9.2 Schalldruck

Der Schalldruckpegel gibt die Schallintensitätan. Die Formel lautet:

Lp = 20 · log10 · p/p0

Lp = Schalldruckpegel (dB)p = Effektiver Schalldruck (bar)p0 = Referenzschalldruck

= 0,0002 · 10-6 (bar)

Schalldruckpegel beziehen sich immerauf eine bestimmte Entfernung zur Schall-quelle, zum Beispiel zu einer Maschine. Beistationären Kompressoren wird gewöhnlicheine Entfernung von 1 m und bei fahrbarenKompressoren eine Entfernung von 7 mgewählt (gem. CAGI Pneurop).

Ein Schalldruckpegel sollte immerzusammen mit einer Angabe über die Um-gebung, in denen die Messung gemachtwurde, einhergehen. Geschieht dies nicht,kann man davon ausgehen, dass es sich umeine Freifeldmessung handelt. Bei einerFreifeldmessung existieren keinerlei Wändeoder andere Gegenstände, die Schallwellenreflektieren und so die Messung verfälschenkönnten.

3.9.3 Absorption

Treffen Schallwellen auf eine Oberfläche,wird ein Anteil der Schallwellen reflektiert,während ein anderer vom Material absorbiertwird. Ein vor Ort gemessener Schalldruck-pegel besteht daher immer aus einem Anteilvon Schallwellen, die direkt von der Schall-quelle stammen, und einem zweiten Anteilvon Schallwellen, die bereits einmal odermehrfach reflektiert wurden.

Wie effektiv eine Oberfläche Schall ab-sorbieren kann, hängt von deren Material abund wird durch einen Absorptionsfaktorangegeben (zwischen 0 und 1).

3:42

Blindleistung wird erzeugt, um den Leistungsfaktordes Motors auf 1 zu vergößern

ϕ

Page 111: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

107

3.9.4 Raumkonstante

Eine Raumkonstante beschreibt einen Raummit verschiedenen Gegenständen, Wändenund anderen Oberflächen und setzt sich ausderen einzelnen Absorptionscharakteristikenzusammen. Die Formel lautet:

K =

α = =

K = Raumkonstanteα = durchschnittlicher Absorptions-

faktor für den Raum (m2)A = Gesamtraumfläche (m2)

A1, A2, ... sind die Flächen imRaum, die einen Absorptionsfaktoraufweisen α1, α2, ....

3.9.5 Schalldämpfung

Die Schalldämpfungszeit ist die Zeit, die derSchalldruckpegel benötigt, um auf 60 dBzu fallen, nachdem die Maschine gestopptwurde. Der durchschnittliche bzw. der äqui-valente Absorptionsfaktor für den Gesamt-raum wird wie folgt bestimmt:

α =

V = Raumvolumen (m3)T = Schalldämpfungszeit (s)

Die Raumkonstante wird bestimmt, in-dem der Absorptionsfaktor mit der gesamtenOberfläche im Raum ins Verhältnis gesetztwird.

K =

A = Gesamtraumfläche (m2)

A · α1 - α

Gesamtabsorption

A1+A2+Gesamtfläche

A1xα1+A2xα2+

0,163 · VT

3.9.6 Beziehung zwischenSchallleistung und Schalldruckpegel

Wird Schall von einer Schallquelle in einemRaum ohne reflektierende Oberflächen aus-gestrahlt, breitet sich dieser in alle Richtun-gen gleichmäßig aus. Die Schallintensität istdaher an allen Punkten mit derselben Entfer-nung zur Schallquelle gleich. Diese Punktebilden eine Kugel mit der Schallquelle alsMittelpunkt.

Daraus kann abgeleitet werden, dass derSchallpegel um 6 dB fällt, wenn sich die Ent-fernung zur Schallquelle verdoppelt hat.Jedoch kann diese Regel in einem Raum mitfesten, reflektierenden Wänden nicht ange-wandt werden. Hier müssen die Einflüsse derSchallreflexionen durch die Wände berück-sichtigt werden. Führt man einen Richtungs-faktor ein, lautet die Formel:

Lp = Lw + 10 log

Lp = Schalldruckpegel (dB)Lw = Schallleistungspegel (dB)Q = Richtungsfaktor (m2)r = Entfernung zur Schallquelle

Für den Richtungsfaktor Q existieren fol-gende empirisch ermittelte Werte (bei an-deren Positionen der Schallquelle muss Q ge-schätzt werden):

Befindet sich die Schallquelle in einemRaum, dessen Wände nicht den gesamten

A · α1 - α

Q4πr2

Page 112: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

108

Schall absorbieren, wird der Schalldruck-pegel durch Reflexionen vergrößert. DieStärke ist umgekehrt proportional zur Raum-konstante:

Lp = Lw + 10 log

Diese Formel drückt aus, dass sich in derNähe der Schallquelle der Schalldruckpegelbei einer Verdoppelung der Entfernung um6 dB verringert. Bei größeren Entfernungenvon der Schallquelle nehmen die Einflüsseder Reflexionen stark zu, so dass der Schall-druckpegel bei steigender Entfernung kaumnoch abnimmt.

Eine Maschine, die Schallwellen überihren Körper oder Rahmen überträgt, kannnur dann als punktförmige Schallquellebetrachtet werden, wenn sich der Zuhöreroder die Messeinrichtung in einer Entfernungbefindet, die 2- bis 3-mal so groß ist wie diegrößte Abmessung der Maschine.

3.9.7 Schallmessung

Das menschliche Ohr empfindet Schall mitverschiedenen Frequenzen unterschiedlichstark. Schall mit niedrigen oder hohenFrequenzen muss stärker sein als Schall miteiner Frequenz zwischen 1000 und 2000 Hz,um als gleich stark empfunden zu werden.

Q4πr2

+ 4K

Es werden daher verschiedene Filterbenutzt, um die hohen und niedrigen Fre-quenzen der gemessenen Schallwerte an dieHörfähigkeiten des menschlichen Ohres an-zupassen. Bei Schallmessungen wird meis-tens der A-Filter verwendet. Der Schallwertwird dann in dB (A) angegeben.

3.9.8 Zusammenwirkenmehrerer Schallquellen

Bei mehreren Schallquellen in einem Raumnimmt der Schalldruck zu. Da der Schall-druckpegel jedoch logarithmisch angegebenwird, können die Werte nicht einfach addiertwerden.

Wenn mehr als zwei Schallquellen vor-handen sind, startet man mit zwei Schall-quellen und addiert das errechnete Ergebniszur Dritten. Als Faustregel kann festgehaltenwerden, dass eine Addition zweier gleichgroßer Schallquellen eine Zunahme des

3:43

Dämpfungsverhalten von verschiedenenBewertungsfiltern

3:44

Dieses Bild zeigt, wie viele dB zu der größerenSchallquelle addiert werden müssen, wenn sich eine

weitere Schallquelle im Raum befindet

Page 113: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

Schalldruckpegels um 3 dB nach sich zieht.Bei einer Addition von zehn Quellen steigtder Pegel um 10 dB.

Der Hintergrundschall ist schwierig zuberücksichtigen und wird meist wie eineeigene Schallquelle behandelt. Um dessenEinflüsse auszugleichen und um so den rei-nen Schallpegel der Maschinen zu bekom-men, wird er von den gemessenen Wertenabgezogen.

3.9.9 Schallreduzierung

Es existieren insgesamt fünf verschiedeneMöglichkeiten, um Schall zu reduzieren.Schallisolation, Schallabsorption, Isolationvon Vibrationen, Dämpfung der Vibrationenund Dämpfung der Schallquelle.

Eine Schallisolation bedeutet die Errich-tung einer Barriere zwischen Schallquelleund Zuhörer. In Abhängigkeit von der Dickeder Barriere und deren Eigenschaften kann 109

immer nur ein Teil des Schalls isoliert wer-den. Eine dickere Isolation ist dabei immereffektiver als eine dünne.

Um Schall zu absorbieren, muss leichtes,poröses Material um die Schallquelle herumangeordnet werden. Dichtere Materialiensind dabei effektiver als leichtere. DieseMaterialien weisen meist eine Dichte zwi-schen 30 kg/m3 (Schaumstoff) und 150 kg/m3

(Steinwolle) auf. Schwingungsdämpfer werden einge-

setzt, um die Übertragung von Schwingun-gen von einem Bauteil auf ein anderes zuverhindern. Ein Problem ist meistens dieÜbertragung von Schwingungen von derMaschine auf die Umgebung oder in denBoden. Stahlfedern, Kork, Plastik oderGummi sind einige Materialien, die für dieVibrationsisolation benutzt werden. Die Aus-wahl des richtigen Materials und die Dimen-sionierung hängen von der Vibrationsfrequenzund von Maschineneigenschaften, wie demGewicht oder der Schwerpunktslage, ab.

Vibrationsdämpfung bedeutet, eineMaschine auf eine dämpfende Oberfläche miteiner hohen Hysterese zu stellen. Wenn dieDämpfung ausreichend ist, können so effek-tiv Vibrationen gedämpft werden. Oft be-ginnt eine Maschine mit Vibrationsdämp-fung jedoch selbst, zusätzlichen Schall abzu-strahlen. Die Dämpfung einer Schallquelleführt daher meist nur zu geringen Ergeb-nissen, bei allerdings niedrigen Kosten.Während eine Schalldämpfung den Schall-druckpegel um nicht mehr als max. 5 dB (A)senken kann, führt eine Schallisolation oft zueiner Reduzierung um bis zu 15 dB (A).

3.9.10 Schall beiKompressorinstallationen

Der Schallpegel eins Kompressors wird auffreiem Feld gemessen. Wird dieser Kompres-sor in einem Raum installiert, beeinflussen

3:45

Dieses Bild zeigt, wie viele dB vom Gesamtschallabgezogen werden müssen, um dessen Einfluss

auszugleichen

Page 114: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

110

die Raumeigenschaften den Schallpegel.Sowohl die Größe des Raumes, die Materia-lien der Wände und Decken und eventuellnoch weitere vorhandene Gegenstände kön-nen bedeutende Auswirkungen auf den Schallim Raum haben.

Weiterhin können der Aufstellungsortund die Installation mit den angeschlossenenRohrleitungen den Schallpegel negativ beein-flussen. Oft ist der von den Druckluftleitun-gen abgestrahlte Schall viel schwieriger zudämpfen als der vom Kompressor selbst frei-gesetzte Schall. Dabei werden die Rohrleitun-gen durch mechanisch eingeleitete Vibratio-nen, in Kombination mit Schwingungen inder Druckluft, so angeregt, dass Schall er-zeugt wird. Daher ist es wichtig, dieKompressoren nur mit Kompensatoren andas Druckluftnetz anzuschließen, um eineSchwingungsübertragung zu verhindern.Eventuell müssen aber Teile des Druckluft-netzes zusätzlich isoliert werden.

3.10 Normen, Gesetzeund Vorschriften

3.10.1 Allgemein

Wie in vielen anderen Bereichen auch müssenbei der Druckluft Regeln und Vorschrifteneingehalten werden. Dies können sowohlnationale oder internationale Gesetze sein alsauch Empfehlungen, die von Organisationenausgesprochen werden. Unter Umständenkönnen diese Empfehlungen sogar bindendsein, wenn sie in gültiges Recht umgesetztwerden.

Fragen der Sicherheit und des Eigen-tums werden meistens durch Gesetze festge-legt, während Normen den Umgang mitSpezifikationen, die Qualitätssicherung, dieMessmethoden und die Zeichnungserstel-lung beschreiben.

3.10.2 Normen

Normen werden in vielen Fällen vomGesetzgeber festgelegt, um eine gemeinsametechnische Basis und damit auch eineSicherheit für den Betrieb von Maschinen zudefinieren. Folgt man den detaillierten Vor-schriften, die diese Normen bezüglich Aus-legung, Ausstattung und Maschinentests fest-legen, kann man davon ausgehen, den An-forderungen des Gesetzgebers genüge getanzu haben. Normen nützen sowohl denHerstellern als auch den Betreibern vonMaschinen. Sie erleichtern die Austauschbar-keit von Komponenten unterschiedlicherHersteller und erlauben den direkten Ver-gleich von Maschinen bei identischenBedingungen.

Normen werden sowohl von nationalenals auch von europäischen und internationa-len Behörden entwickelt und festgelegt.Europäische und internationale Normenmüssen nach einer Übergangszeit in nationa-les Recht umgesetzt werden.

Internationale Normen werden vonder ISO (International Organization forStandardization) mit Sitz in Genf festgelegt.

Neben den offiziellen Normen werdenRegelwerke auch von Organisationen wie derPNEUROP herausgegeben. Zur PNEUROPgehören alle europäischen Anbieter aus derDruckluftbranche. Beispiele für solche Regel-werke sind Empfehlungen zur Messung vonKompressorvolumenströmen und des Restöl-gehaltes in der Druckluft. Diese Regeln sindkeine Vorschriften, geben aber Empfehlungenfür die Zeit, bis eine offizielle Norm erlassenworden ist.

Page 115: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

Kapitel 4 Wirtschaftlichkeit

Page 116: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

112

nen in stark druckluftabhängigen Industrie-zweigen sehr lohnend. Auf Änderungen inder Produktion muss auch die Druckluft-anlage entsprechend reagieren können. Es istwichtig, dass die Druckluftversorgung so-wohl den aktuellen Druckluftbedarf als auchden zukünftigen bereits so gut wie möglichdecken kann. Die Erfahrung hat gezeigt, dasseine intensive und umfangreiche Analyse derBedarfssituation meistens zu einer verbes-serten Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlageführt.

Der Energiebedarf ist der für die Ge-samtkosten einer Druckluftanlage entschei-dende Faktor. Es ist daher wichtig, die Druck-luftanlage so auszulegen, dass sowohl alleAnforderungen an den Volumenstrom unddie Druckluftqualität erfüllt werden als auchdie eingesetzte Energie so wirtschaftlich wiemöglich verwendet wird. Selbst wenn durchden Kauf von Kompressoren und anderenKomponenten eventuell zusätzliche Kostenentstehen, um diese Forderung zu erfüllen,erweisen sich diese im Laufe der Zeit meistals nützliche Investitionen.

Da der Energieverbrauch oft bis zu 80 %der Gesamtkosten einer Druckluftanlage aus-macht, sollte besonders die Steuerung sorg-fältig ausgesucht werden. Die Unterschiedezwischen den Steuerungen überwiegen meist

4:1

Aufteilung der Druck-luftkosten. Die Anteile

können in Abhängigkeit vonden Betriebsstunden proJahr, dem Kompressortyp

oder dem Kühlsystemvariieren.

4.1Wirtschaftlichkeit

4.1.1Kosten der Drucklufterzeugung

4.1.1.1 Allgemein

Nahezu jede stationäre Druckluftanlage inder Industrie verwendet Elektrizität als An-triebsenergie für Kompressoren. Bei sehr vie-len Anlagen existieren bedeutende und meis-tens ungenutzte Energieeinsparpotenziale inForm einer Wärmerückgewinnung, einer Ver-ringerung des Druckes, einer Leckageverrin-gerung oder durch Einsatz eines intelligentenSteuer- und Regelsystems.

Es zahlt sich meistens aus, bei derPlanung einer Anlage so weit wie möglich indie Zukunft zu blicken, um neue Situationenund kommende Anforderungen an dieDruckluftanlage bereits mit einplanen zukönnen. Typische Beispiele dafür sind ver-schärfte Umweltschutzbestimmungen, Ener-giesenkungsprogramme, erhöhte Qualitäts-anforderungen oder eine Erweiterung derProduktion.

Die Kostenoptimierung von Druckluft-anlagen ist vor allem bei großen Installatio-

Page 117: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

113

deutlich gegenüber den Unterschieden zwi-schen den verschiedenen Kompressortypen.

Eine optimale Situation liegt dann vor,wenn der gesamte Volumenstrom des Kom-pressors gerade den Druckluftbedarf deckenkann. Dies ist eine Situation, die bei Anwen-dungen in der Prozessindustrie zwar vor-kommen kann, jedoch im normalen Alltagfast nie auftritt. Die meisten Kompressorenbesitzen daher ihr eigenes Steuer- und Regel-system. Eine bedarfsabhängige, gemeinsameSteuerung für alle Kompressoren in einerDruckluftanlage erhöht meistens deutlichderen Wirtschaftlichkeit.

Die Drehzahlregelung von Kompres-soren gewinnt in letzter Zeit immer mehr anBedeutung, da dadurch nur die Energie ver-braucht wird, die für die Erzeugung desaktuellen Druckluftbedarfes benötigt wird.

Wenn nachts oder an den Wochenendennur ein geringer Druckluftbedarf besteht,kann es sinnvoll sein, diesen mit einem eige-nen kleinen Kompressor zu erzeugen.Benötigt man für einen einzelnen Verbrau-cher einen höheren Druck, sollte man prüfen,ob der Netzdruck insgesamt erhöht werdenmuss oder ob eventuell ein kleiner Teil desNetzes vom Hauptteil getrennt und voneinem eigenen Kompressor versorgt werdenkann. Das Aufteilen des Druckluftnetzes inmehrere Teile kann auch sinnvoll sein, umLeckagen an Wochenenden zu reduzierenoder um die Verteilung der Druckluft besserkontrollieren zu können.

4.1.1.2 Aufteilung der Kosten

Die Investitionskosten bestehen aus denEinkaufspreisen und den Kosten für die Er-richtung des Kompressorraumes und desDruckluftnetzes. Der Anteil der Investitionenan den Gesamtkosten der Anlage wird durchdie geforderte Druckluftqualität, den Amorti-

sationszeitraum und den aktuellen Zinssatzbeeinflusst. Der Anteil der Energiekostenwird durch die Betriebsstunden pro Jahr, denAusnutzungsgrad und den Energiepreis be-stimmt. Einige Komponenten, wie zum Bei-spiel eine Wärmerückgewinnung, führensofort nach deren Inbetriebnahme zu redu-zierten Betriebskosten.

4.2Möglichkeiten

zur Kosteneinsparung

4.2.1 Leistungsbedarf

Bei der Kostenberechnung ist es wichtig, denGesamtleistungsbedarf des Kompressors ander Klemme zu verwenden. Alle zum Kom-pressor gehörenden Stromverbraucher, wiePumpen oder Lüfter, sind hier bereits berück-sichtigt.

Um verschiedene Kompressoren mitein-ander vergleichen zu können, muss beson-ders darauf geachtet werden, dass derentechnische Daten vergleichbar sind. Dahersollte man sich vor einem Vergleich immerdavon überzeugen, ob die Daten gemäß einer

4:2

Beispiel für die Kostenaufteilung bei dreiKompressoren mit Zubehör. Große Unterschiede

können durch eine unterschiedlicheAbschreibungsdauer oder durch eine unterschiedliche

Auslastung der Kompressoren entstehen.

Page 118: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

114

internationalen Norm, wie zum Beispiel derISO 1217 Anhang 3, gemessen und ermitteltwurden.

4.2.2 Der Betriebsüberdruck

Der Betriebsüberdruck beeinflusst stark denEnergiebedarf. Ein höherer Druck führt zueinem höheren Energiebedarf. Erhöht manden Druck am Kompressor, um zum BeispielDruckverluste auszugleichen, verschlechtertdies die Wirtschaftlichkeit der Druckluft-anlage.

Trotzdem wird dies oft gemacht, um denDruckverlust von zu kleinen Rohrleitungenoder von verschmutzten Filtern auszuglei-chen. Eine Erhöhung des Druckes um 1 barlässt den Energiebedarf um 6 bis 8 % steigen.Bei einer Druckluftanlage mit mehreren Fil-tern, die alle schon eine längere Zeit inBetrieb sind, kann der Gesamtdruckverlustder Filter deutlich über 1 bar liegen.

Bei vielen Druckluftanlagen ist es nichtmöglich, den Druck einfach stark zu senken.

4:3

Das Bild beschreibt ein einfaches, aber sehrnützliches Modell, um den tatsächlichen

Gesamtleistungsbedarf eines wassergekühltenKompressors zu bestimmen.

4:4

Zusammenhang zwischen Druck und Leistungsbedarf. Bei einem Kompressor mit 15 m3/min führt eine Reduzierungdes Druckes von 7 auf 6 bar zu einer Verringerung des Leistungsbedarfes von 91 auf 85 kW. Bei 4000 Betriebsstunden

pro Jahr werden 24.000 kWh eingespart.

Page 119: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

115

4:5

Entstehung des Druckverlustes in einem Druckluftnetz

4:6

Das Bild zeigt den Druckluftverbrauch für jeden Wochentag. Der Verbrauch ist während der Nacht gering, steigt währendder Arbeitszeit am Tage stark an, sinkt bei Arbeitspausen und ist am Wochenende konstant (Leckagen oder Produktion).

Jedoch ermöglicht meist schon der Einsatzmoderner Regel- und Steuersysteme eineDruckabsenkung um 0,5 bar. Dies führt zueiner Reduzierung der Leistungsaufnahmevon 3 bis 4 %. Dies mag auf den ersten Blickrecht unbedeutend erscheinen, berücksichtigtman jedoch die vielen Betriebsstunden undden hohen Anteil der Energiekosten an denGesamtkosten, entstehen so schnell hoheEinsparsummen.

4.2.3 Druckluftverbrauch

Durch Analyse des Druckluftverbraucheskönnen oft Möglichkeiten gefunden werden,die Druckluftanlage gleichmäßiger auszu-lasten. Gelingt es, unnötige Druckluftver-brauchsspitzen zu vermeiden, können dieBetriebskosten verringert werden.

Der Verschwendung von Druckluftdurch Leckagen, durch verschlissene Druck-luftwerkzeuge und durch einen unsachge-

Page 120: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

116

mäßen Einsatz sollte besondere Aufmerk-samkeit gewidmet werden, da hier meistenshohe Einsparmöglichkeiten liegen.

Durch Einbau von Ventilen lässt sichjedes Druckluftnetz leicht in verschiedeneBereiche unterteilen. Dies ermöglicht es, be-stimmte Bereiche ohne Druckluftverbrauchkurz- oder auch längerfristig vom übrigenNetz zu trennen und so die Leckageverlustezu reduzieren. Jede Druckluftanlage hatLeckagen. Durchschnittlich liegen diese bei10 bis 15 % der erzeugten Druckluftmenge,manchmal aber auch erheblich darüber. Da

diese Verluste unwiederbringlich verlorensind, sollte man immer versuchen, Leckage-stellen zu finden und abzudichten. Die überLeckagen verlorene Druckluftmenge ist zumBetriebsüberdruck direkt proportional. Nebender Abdichtung der Leckagestelle stellt daherauch die Absenkung des Druckes, zum Bei-spiel über Nacht, eine Methode dar, umLeckagen zu vermindern.

Eine Absenkung des Druckes um 0,3 barverringert die Leckagen um 4 %. Bei einerDruckluftanlage mit 100 m3/min und 12 %Leckagen entspricht eine solche Senkung desDruckes einer Energieeinsparung von unge-fähr 3 kW. Zusätzlich verringert eine Druck-absenkung auch den Druckluftverbrauch vonMaschinen und von Druckluftwerkzeugen.

4.2.4 Regelmethoden

Ein modernes und zentrales Leitsystem steu-ert die Kompressoren selbst bei den unter-schiedlichsten Betriebszuständen optimal underhöht gleichzeitig die Sicherheit und dieZuverlässigkeit der Anlage.

Durch Einsatz der richtigen Regelunggelingt es, den Leistungsbedarf durch Sen-kung des Druckes zu reduzieren und gleich-zeitig die Auslastung jedes Kompressors in

4:8

Kostenvergleich verschiedener Trocknungsmethoden

4:7

Verhältnis zwischen der Leckagemenge und demdafür am Kompressor zusätzlich entstehenden

Leistungsbedarf für verschiedene Lochgrößen beieinem Betriebsüberdruck von 7 bar

Page 121: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

117

der Anlage zu optimieren. Gleichzeitig wirddie Verfügbarkeit der Kompressoren erhöhtund das Risiko eines Ausfalles verringert. Einzentrales Leitsystem ermöglicht es auch, denBetriebsdruck automatisch und zeitgesteuertzu bestimmten Zeiten abzusenken.

Da der Druckluftverbrauch in den sel-tensten Fällen konstant ist, sollte eineDruckluftanlage durch Auswahl verschiede-ner Kompressorgrößen oder durch Einsatzvon drehzahlgeregelten Kompressoren so fle-xibel wie möglich gemacht werden, um aufeinen wechselnden Bedarf reagieren zu kön-nen. Besonders Schraubenkompressoren eig-nen sich dafür, mit einer Drehzahlregelungausgestattet zu werden, da deren Volumen-strom und Leistungsbedarf direkt proportio-nal zu der Drehzahl sind.

4.2.5 Druckluftqualität

Eine gute Druckluftqualität reduziert denWartungsbedarf und erhöht die Zuverlässig-keit der Druckluftanlage, der Instrumenteund der Regeleinrichtungen. Gleichzeitigwird der Verschleiß der mit der Druckluft be-triebenen Werkzeuge verringert.

Ein für aufbereitete Druckluft ausge-legtes Druckluftnetz ist einfacher und kosten-günstiger, da das Netz nicht mit Wasser-abscheidern und 180°-Anschlussbögen ausge-stattet werden muss. Ein aufwendiger Korro-sionsschutz der Rohrleitungen kann, ebensowie zusätzliche Kondensatleitungen, entfal-len. Insgesamt sind die Installations- undWartungskosten so deutlich geringer als beieinem herkömmlichen Druckluftnetz. Ameinfachsten kann die Druckluft durch dieInstallation eines zentralen Drucklufttrock-ners direkt hinter dem Kompressor getrock-net werden. Eine dezentrale Druckluftauf-bereitung durch die Installation mehrererTrockner am Ort des Druckluftverbrauchessetzt das Druckluftnetz ungeschützt derFeuchtigkeit aus, erhöht die Installations-kosten und erschwert die Wartung.

Die bei der Installation des Druckluft-netzes eingesparten Kosten decken meistensdie Beschaffung der Druckluftaufbereitungs-komponenten ab. Selbst bei bereits bestehen-den Anlagen ist der nachträgliche Einbau vonTrocknern und Filter lohnend.

Ölfrei verdichtende Kompressoren benö-tigen keinen Ölabscheider und kein Öl-

4:9

Ein ölfrei verdichtender Kompressor garantiert eine hohe Druckluftqualität bei konstant niedrigen Kosten

Page 122: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

118

Wasser-Trennsystem für die Aufbereitung desKondensates. Da auch keine Filter zur Ent-fernung des Öls aus der Luft benötigt wer-den, entstehen später auch keine Kosten fürden Austausch der Filterelemente. Da diedurch Filter entstehenden Druckverlusteauch nicht mehr durch einen höheren Be-triebsdruck ausgeglichen werden müssen,kann das Druckluftnetz mit einem niedrige-ren Betriebsüberdruck betrieben werden.Dies führt insgesamt zu deutlich niedrigerenEnergiekosten.

4.2.6 Wärmerückgewinnung

Falls in einem Betrieb Elektrizität, Gas oderÖl zum Beheizen der Betriebsgebäude oder ineinem Produktionsprozess eingesetzt wer-den, sollte man auf jeden Fall prüfen, obdiese Energie nicht teilweise oder sogar kom-plett durch eine Wärmerückgewinnung beiden Kompressoren ersetzt werden kann. Die

entscheidenden Faktoren dafür sind dieEnergiekosten in EUR/kWh, der Auslas-tungsgrad der Kompressorenstation und dieHöhe der für die Wärmerückgewinnung auf-zubringenden Investitionskosten. Eine gutgeplante Investition in eine Wärmerück-gewinnung macht sich jedoch meistens späte-stens nach 1 bis 3 Jahren bezahlt. Über 90 %der den Kompressoren zugeführten Energie-menge kann in Form von Wärme zurückge-wonnen werden. Das dabei erreichbare Tem-peraturniveau bestimmt die Einsatzmöglich-keiten und damit auch den „Wert“ einersolchen Wärmerückgewinnung.

Die effizienteste Wärmerückgewinnunglässt sich bei wassergekühlten Anlagen reali-sieren, wenn der Kühlwasserkreislauf direktan einen Heißwasserkreislauf angeschlossenwerden kann. Die Energie kann dann wäh-rend des ganzen Jahres genutzt werden.

4:10

Wenn ein Kompressor Druckluft erzeugt, wird gleichzeitig die zugeführte Energie in Wärme umgewandelt undin das Kühlmedium, Wasser oder Luft, übertragen. Nur ein kleiner Anteil verbleibt in der Druckluft oder wird als

Wärmestrahlung an die Umgebung abgegeben. Ein luftgekühlter Kompressor erlaubt nur eine einfache Wärme-rückgewinnung, während ein wassergekühlter Kompressor bessere Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung bietet.

Zurückgewinnbare Energiemenge:W = ([K1 · Q1] + [K2 · Q2]) · TR

Einsparungen/Jahr: W · ep/η

Eingesparte Ölmenge m3/Jahr: W/6800 · η

W = Zurückgewinnbare Energie (kWh/Jahr)TR = Stunden pro Jahr,

während denen die Wärme aus der Wärmerückgewinnung benötigt wird(Stunden/Jahr)

K1 = Anteil an TRmit belasteten Kompressoren

K2 = Anteil an TRmit entlasteten Kompressoren

Q1 = Verfügbare Leistung im Kühlmedium bei belasteten Kompressoren

Q2 = Verfügbare Leistung im Kühlmedium bei entlasteten Kompressoren

ep = Energiekostenη = Wirkungsgrad des normalen

Wärmeerzeugers

Page 123: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

119

Wenn lange Entfernungen bis zum Verbrau-cher zu überbrücken sind oder nur ein gerin-ger und schwankender Energiebedarf vor-handen ist, kann es unter Umständen interes-sant sein, nach Möglichkeiten zu suchen, diezurückgewonnene Energie an andere zu ver-kaufen.

4.2.7 Wartung

Wie jede andere Einrichtung benötigt aucheine Druckluftanlage ein gewisses Maß anWartung.

Jedoch fallen die Wartungskosten imVergleich mit den anderen Kosten gering aus.Trotzdem lassen sie sich durch eine sorgfälti-ge Planung der Wartungseinsätze reduzieren.Wie intensiv diese Wartung ausfallen sollte,hängt von den Anforderungen an die Zuver-lässigkeit der Druckluftversorgung ab.

Die Wartungskosten machen zwar nurden kleinsten Teil der gesamten Kosten fürdie Druckluft aus, werden aber durch einegute Planung des Druckluftnetzes und durcheine sorgfältige Auswahl der Kompressorenund Trockner positiv beeinflusst.

Eine permanente Überwachung derKompressoranlage, eventuell sogar aus derFerne oder über das Internet, ermöglicht es,nur die tatsächlich erforderlichen Wartungs-arbeiten durchführen zu müssen. Gleichzeitigwerden Schäden schneller erkannt, und eskönnen umgehend Maßnahmen eingeleitetwerden. Insgesamt werden die Wartungs-kosten von folgenden Punkten beeinflusst:

• Kompressortypen

• Druckluftzubehör (Trockner, Zubehör,

Steuer- und Regeleinrichtung)

• Betriebszustand

• Installationsbedingungen

• Umgebungsbedingungen

• Wartungsplanung

• Geforderte Zuverlässigkeit

• Wärmerückgewinnungs-/Kühlwasser-

system

• Ausnutzungsgrad

Die jährlichen Wartungskosten liegen bei ca.5 bis 10 % der Gesamtinvestitionssumme.

4:11

Ein sehr hoher Ausnutzungsgrad verringert die Kosten für die Wartung und den Service,berechnet in EUR/Betriebsstunde. Es ist realistisch, von einer 100-%-Ausnutzung und einer 98-%-Verfügbarkeit

der Druckluftanlage auszugehen.

Page 124: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

120

4.2.7.1 Wartungsplanung

Eine gute Planung der Wartung verringertdie Kosten und erhöht die Lebensdauer derKompressoren und Aufbereitungskompo-nenten. Gleichzeitig verringern sich dieAusfälle der Anlage und damit auch dieStillstände in der Produktion.

Die Verwendung von elektronischenDiagnosesystemen ermöglicht es, die Kom-pressoren besser zu überwachen und einzel-ne Bauteile nur dann auszutauschen, wenndies auch erforderlich ist.

Meistens können die Bauteile so recht-zeitig ausgewechselt werden, dass keineSchäden an den Kompressoren entstehenund unnötige Stillstandszeiten vermiedenwerden.

Nur der Einsatz des Servicepersonalsdes Herstellers und die Verwendung vonOriginalersatzteilen ermöglichen es, die Ma-schinen auf einem hohen technischen Niveauzu halten und gleichzeitig an den Weiter-entwicklungen der Kompressorentechnik teil-zunehmen. Nur speziell ausgebildete Service-techniker kennen den letzten Stand derBetriebsvorschriften und können das Service-personal des Betreibers entsprechend ausbil-den. Da keine Fernüberwachung den tägli-chen Gang zum Kompressorraum ersetzenkann, sollte jeder Betreiber eigenes Personalfür die Wartung und Überwachung derAnlage mit einplanen.

4.2.7.2 Zusatzausstattung

Es ist einfach, eine Druckluftanlage mit zu-sätzlichen Komponenten auszustatten, umdie Druckluftqualität zu verbessern oder umdie Anlage besser zu überwachen. Jedochbenötigen auch diese Teile eine Wartung underhöhen so die Betriebskosten, zum Beispieldurch den Austausch von Filterelementen,

durch den Ersatz von Trockenmittel oderdurch die Kosten für die ergänzende Aus-bildung des Servicepersonals.

Zusätzlich können weitere Wartungs-kosten beim Druckluftnetz oder bei denDruckluftverbrauchern entstehen. All dieseKosten müssen bei der Kalkulation berück-sichtigt werden und tragen daher mit zu derEntscheidung über eine Investition bei.

4.3Andere wirtschaftliche

Faktoren

4.3.1 Allgemein

Mit Hilfe einer Lebensdaueranalyse kann einProdukt, ein Material oder eine Dienst-leistung auf systematischem Wege beschrie-ben und analysiert werden. Diese Analyseberücksichtigt alle Aspekte des Produkt-lebens und beginnt bei der Auswahl desMaterials für die Produktion und endet beidessen Entsorgung.

Diese Analyse wird oft bei Produktenmit einem ähnlichen Aufgabenbereich einge-setzt, um verschiedene Alternativen mitein-ander zu vergleichen. Die Ergebnisse werdenverwendet, um Richtlinien für die Produk-tion oder für das Design vorzugeben. EineLebensdaueranalyse kann auch bei der Kom-munikation mit Lieferanten, Kunden undBehörden eingesetzt werden, um die Produkt-eigenschaften zu beschreiben.

Das Ergebnis einer Lebensdaueranalysesoll aber in erster Linie helfen, Entscheidun-gen treffen zu können, wie der Einfluss desProduktes auf die Umwelt so gering wiemöglich gehalten werden kann. Eine Lebens-daueranalyse gibt aber nicht die Antwort aufjede Frage. Daher müssen andere Aspekte,

Page 125: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

121

wie die notwendige Produktqualität und diezur Verfügung stehenden Technologien, be-sonders betrachtet werden, um ein umfassen-des Hintergrundwissen zu besitzen.

4.3.2 Lebensdauerkosten

Eine Lebensdauerkostenanalyse wird mehrund mehr als ein Werkzeug verwendet, umdie verschiedenen Möglichkeiten bei einerInvestitionsentscheidung miteinander ver-gleichen zu können. In dieser Analyse sindsowohl alle Produktkosten als auch dieKapital-, Betriebs- und Wartungskosten ent-halten.

Die Lebensdauerkostenanalyse kannsowohl bei der Planung einer neuen Anlage

als auch bei sich bereits im Betrieb befinden-den Anlagen eingesetzt werden. Sie bildet dieGrundlage, um die Anforderungen an einenNeubau oder an eine Erweiterung zu definie-ren. Jedoch sollte man nie vergessen, dassauch eine solche Analyse meist nur eine guteAbschätzung sein kann, da niemand die zu-künftigen Kosten einer Anlage, die Entwick-lung neuer Technologien, die Einführungneuer Gesetze und die Entwicklung derEnergiepreise vorhersagen kann.

Um eine Lebensdauerkostenanalysemachen zu können, bedarf es eines umfang-reichen Wissens und ausreichender Erfah-rung im Bezug auf Druckluftanlagen. Umbestmögliche Ergebnisse zu erzielen, sollte

4:12

Page 126: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

122

diese Abschätzung vom Betreiber und Her-steller der Anlage zusammen vorgenommenwerden. Besonders sollte untersucht werden,wie die unterschiedlichen Investitionsalter-nativen durch Qualitäts- und Sicherheits-fragen, durch spätere Erweiterungen, durchdie erforderliche Wartung der Produktions-maschinen und des Druckluftnetzes, durchdie Umgebung, durch die Qualität desEndproduktes und durch eine Risikoab-schätzung in Bezug auf Ausfälle der Druck-luftversorgung beeinflusst werden. EinAspekt, der in diesem Zusammenhang nichtvergessen werden darf, betrifft den Gewinn.Durch eine Wärmerückgewinnung oder

durch die Verringerung der Ausschussratekann dieser vergrößert werden.

Je nachdem ob die Anlage am Ende desBerechnungszeitraumes noch im guten Zu-stand ist oder verschrottet werden muss,müssen die Kosten für Service und Wartungentweder als Betriebskosten oder als Kostenfür den Werterhalt betrachtet werden. Dabeiist das Berechnungsmodell immer dem Kom-pressortyp anzupassen. Die unten abgebilde-ten Diagramme können dabei als Beispielefür Berechnungsmodelle für Druckluftanla-gen mit und ohne Wärmerückgewinnungverwendet werden.

4:13

4:14

Aufteilung der Betriebskosten ohne Wärmerückgewinnung

Aufteilung der Betriebskosten mit Wärmerückgewinnung

Page 127: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

Kapitel 5 Berechnungs-beispiele

Page 128: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

124

5.1Beispiel: Auslegung einer Kompressorstation

In diesem Kapitel wird anhand eines Beispieles gezeigt, wie eine normale Druckluftanlage ausge-

legt werden kann. Dadurch soll demonstriert werden, wie die in den vorherigen Kapiteln erklär-

ten Formeln und Verfahren in der Praxis angewendet werden. Das Beispiel basiert auf einem

angenommenen Druckluftbedarf und legt nach und nach die einzelnen Komponenten einer

Druckluftanlage aus. Am Ende des Beispieles wird dann noch zusätzlich erklärt, wie auf einige

Sonderfälle eingegangen werden muss.

Page 129: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

125

5.2 Daten

Bevor eine Auslegung starten kann, müssen immer zuerst der Druckluftbedarf und die Umge-

bungsbedingungen ermittelt werden. Des Weiteren muss man sich entscheiden, ob der Kompres-

sor ölgeschmiert oder ölfrei arbeiten und ob die Anlage mit Luft oder mit Wasser gekühlt werden

soll.

5.2.1 Druckluftbedarf

Für das Beispiel wird von insgesamt 3 Druckluftverbrauchern

mit folgenden Betriebsdaten ausgegangen:

Verbraucher Luftbedarf Betriebsdruck Taupunkt

1 12 Nm3/min 6 bar (e) +5 °C

2 67 l/s 7 bar (a) +10 °C

3 95 l/s 4 bar (e) +5 °C

5.2.2 Umgebungsbedingungen

Durchschnittliche Umgebungstemperatur: 20 °C

Maximale Umgebungstemperatur: 30 °C

Umgebungsdruck: 1 bar (a)

Relative Feuchtigkeit: 60 %

5.2.3 Verschiedenes

Die Anlage soll mit einem öleingespritzten Kompressor ausgestattet

und mit Luft gekühlt werden.

Page 130: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

126

5.3 Komponentenauswahl

Es ist meistens eine gute Idee, zuerst alle Daten auf die so genannten Referenzbedingungen umzu-

rechnen. Alle Anbieter von Druckluftsystemen geben die technischen Daten ihrer Produkte bezo-

gen auf diesen Referenzzustand an und erleichtern so den Vergleich und die Auswahl der

Produkte. Auf Wunsch wird diese Umrechnung auch vom Hersteller vorgenommen.

Volumenstrom: Der Volumenstrom eines Kompressors wird im Allgemeinen in l/s angegeben.

Der in Nm3/min angegebene Luftbedarf des Verbrauchers 1 wird wie folgt umgerechnet:

12 Nm3/min = 12 · 1000/60 Nl/s = 200 Nl/s

Rechnet man den auf die Normbedingungen bezogenen Volumenstrom auf die tatsächlichen

Ansaugbedingungen um, ergibt sich:

Druck: Die für die Auswahl von Kompressoren verwendete Einheit für den Druck ist der Betriebs-

überdruck in bar und wird in der Einheit bar (e) angegeben.

Der für den Verbraucher 2 erforderliche Betriebsdruck wird mit 7 bar (a) angegeben. Der Umge-

bungsdruck muss von diesem Betriebsdruck abgezogen werden, um den Betriebsüberdruck zu er-

halten. Da der Umgebungsdruck in diesem Falle 1 bar (a) beträgt, kann der für den Verbraucher 2

erforderliche Betriebsdruck mit 7 – 1 bar (e) = 6 bar (e) angegeben werden.

Führt man die Umrechnungen für alle drei Verbraucher durch, ergibt sich folgende Tabelle:

Verbraucher Luftbedarf Betriebsdruck Taupunkt

1 225 l/s 6 bar (e) +5 °C

2 67 l/s 6 bar (e) +10 °C

3 95 l/s 4 bar (e) +5 °C

200 · (273+30) · 1,013

273 · 1,0

QN·(273+Ti) · 1,013

273 · PiQFAD = = l/s ~ 225 l/s

Page 131: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

127

5.3.1 Auslegung des Kompressors

Addiert man den Druckluftbedarf der drei Verbraucher, ergibt sich ein Gesamtbedarf von

225 + 67 + 95 = 387 l/s. Zu diesem Gesamtverbrauch sollte ein Sicherheitszuschlag von 10 bis 20 %

hinzugefügt werden. Tut man dies, ergibt sich ein Verbrauch von 387 l/s · 1,15 ~ 445 l/s

(15 % Sicherheitszuschlag).

Um den erforderlichen Betriebsüberdruck festzulegen, vergleicht man die Anforderungen der ein-

zelnen Verbraucher. Der maximale Wert beträgt 6 bar (e). Für die Versorgung des Verbrauchers 3

kann ein Druckreduzierventil eingesetzt werden.

Geht man davon aus, dass der Druckverlust über den Trockner, die Filter und die Rohrleitung

nicht mehr als 1,0 bar beträgt und ein Druckband von 0,5 bar eingehalten wird, erfordert dies

einen Kompressor, der mindestens einen Betriebsüberdruck von 7,5 bar (e) erreichen kann.

5.3.2 Annahmen für die weitere Berechnung

Auf Grund der ermittelten Daten wird folgender Kompressor ausgewählt:

Maximaler Druck = 7,5 bar (e)

Volumenstrom bei 7 bar (e) = 450 l/s

Gesamtleistungsbedarf bei 7 bar (e) = 175 kW

Wellenleistungsbedarf bei 7 bar (e) = 162 kW

Die Drucklufttemperatur am Austritt des Kompressors liegt

10 °C über der Umgebungstemperatur.

Weiterhin soll der Kompressor eine Volllast-Leerlaufregelung mit einer zulässigen Schaltfrequenz

von maximal einer Schaltung pro 30 Sekunden besitzen. Durch die Volllast-Leerlaufregelung

bedingt, schwankt der Betriebsdruck zwischen 7,0 und 7,5 bar (e).

Page 132: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

128

5.3.3 Auslegung des Behältervolumens

Qc = Volumenstrom des Kompressors (l/s) = 450 l/s

P1 = Umgebungsdruck in bar (a) = 1 bar (a)

T1 = maximale Ansaugtemperatur am Kompressor (K) = 273 + 30 = 303 K

fmax = maximal zulässige Schaltfrequenz = 1/30 s

(pent – pbel) = Druckband (bar) = 0,5 bar

T0 = Die Drucklufttemperatur am Kompressoraustritt liegt 10 °C über

der Umgebungstemperatur.

Die Temperatur der Luft im Behälter beträgt daher 273 + 30 + 10 = 313 K

Für Kompressoren mit einer Volllast-Leerlaufregelung berechnet sich das Behältervolumen nach

folgender Formel:

Der Wert gibt die empfohlene Mindestgröße des Behälters an. Bei der endgültigen Auswahl des

Behälters sollte daher das nächstgrößere Standardvolumen gewählt werden.

0,25 · 450 · 313

1/30 · 0,5 · 303

0,25 · Qc · T0

fmax · (pent – pbel) · T1

V = = = 6.972 l

Page 133: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

129

5.3.4 Auslegung des Trockners

Da der kleinste geforderte Taupunkt bei diesem Beispiel +5 °C beträgt, bietet sich der Einsatz

eines Kältetrockners an. Bei der Auslegung des Trockners müssen eine Reihe von Faktoren berück-

sichtigt werden, um den Trockner den vor Ort herrschenden Bedingungen anzupassen. Dazu wer-

den meistens Korrekturfaktoren verwendet. Diese Faktoren müssen für jeden Trocknertyp indi-

viduell ermittelt werden. Bei diesem Beispiel werden die für die Kältetrockner von Atlas Copco

geltenden Korrekturfaktoren verwendet.

1. Drucklufteintrittstemperatur in den Trockner und Drucktaupunkt

Da die Drucklufttemperatur 10 °C über der Umgebungstemperatur liegt, beträgt die maxi-

male Drucklufteintrittstemperatur in den Trockner 30 °C + 10 °C = 40 °C.

Der geforderte Taupunkt beträgt 5 °C. Der damit aus einer Tabelle ermittelte Korrektur-

faktor beträgt 0,95.

2. Betriebsüberdruck

Der Betriebsüberdruck beträgt ungefähr 7 bar (e). Dies führt zu einem Korrekturfaktor von 1,0.

3. Kühlmediumtemperatur

Der Trockner wird mit Umgebungsluft gekühlt. Diese Luft hat eine maximale Temperatur

von 30 °C. Daraus resultiert ein Korrekturfaktor von 0,95. Bei wassergekühlten Trocknern

ist die Kühlwassertemperatur zu verwenden.

Der Trockner sollte in der Lage sein, den Volumenstrom des Kompressors, dividiert durch die

Korrekturfaktoren, zu bewältigen.

5.3.5 Annahmen für die weiteren Berechnungen

Es wird ein Kältetrockner mit folgenden Daten ausgewählt:

Volumenstrom bei 7 bar (e) = 516 l/s

Gesamtleistungsaufnahme = 5,1 kW

Wärmeübertragung in die Kühlluft = 14,1 kW

Druckverlust des Trockners = 0,09 bar

= 498 l/s450 l/s

0,95 · 1,0 · 0,95

Page 134: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

130

5.3.6 Kontrolle der Berechnungen

Sobald man alle Komponenten für die Druckluftanlage ausgewählt hat, sollte man noch einmal

prüfen, ob der entstehende Druckverlust nicht zu groß ist. Dies geschieht, indem man die einzel-

nen Druckverluste der Komponenten und der Rohrleitungen addiert.

Dabei kann es hilfreich sein, ein Fließschema der Anlage, wie in Abbildung 5:1 dargestellt, aufzu-

zeichnen.

Während der Druckverlust der Rohrleitung berechnet werden muss, können die Druckverluste

der einzelnen Komponenten beim jeweiligen Hersteller erfragt werden.

Der gesamte Druckverlust wird nun wie folgt bestimmt:

Komponenten Druckverlust (bar)

Feinstfilter (im Neuzustand) 0,14

Kältetrockner 0,09

Staubfilter (im Neuzustand) 0,2

Rohrleitungen im Kompressorraum 0,05

Rohrleitung vom Kompressorraum zum Verbraucher 0,1

Gesamter Druckverlust 0,58

Bei einem Druckband des Kompressors von 7,5 bis 7,0 bar stellt sich beim Verbraucher mindestens

ein Betriebsüberdruck von 7,0 bar – 0,58 bar = 6,42 bar (e) ein. Durch eine zunehmende Ver-

schmutzung der Filter steigt der Druckverlust jedoch kontinuierlich an und verringert so den er-

reichbaren Druck am Verbraucher. Es empfiehlt sich, die Filterelemente spätestens dann zu erneu-

ern, wenn ein Druckverlust von 0,35 bar pro Filter erreicht wird.

5:1

Page 135: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

131

5.4 Zusätzliche Berechnungen

5.4.1 Kondensatmengenberechnung

Da hier ein öleingespritzter Kompressor ausgewählt wurde, enthält das im Kompressor, in den

Filtern und im Trockner anfallende Kondensat Öl. Das Öl muss vom Kondensat getrennt werden,

bevor dieses in die Kanalisation eingeleitet werden darf. Dies geschieht mit einem Öl-Wasser-

Trennsystem. Um dieses Trennsystem auslegen zu können, muss man die entstehende Kondensat-

menge kennen.

Die vom Kompressor angesaugte Wassermenge kann mit folgender Formel bestimmt werden:

f1 = relative Feuchte · maximaler Wassergehalt der Luft bei 30 °C (g/m3) · Volumenstrom

= 0,6 · 30,078 g/m3 · 1.620 m3/h = 29.236 g/h = 29,2 l/h

Um die Kondensatmenge zu bestimmen, muss die Feuchtigkeitsmenge, die nach dem Trocknen

noch in der Druckluft verbleibt (gesättigt bei 5 °C), von der angesaugten Menge abgezogen werden.

Die gesamte Kondensatmenge beträgt:

f1 – f2 = 29,2 l/h – 1,4 l/h = 27,8 l/h

Mit Hilfe dieses Wertes lässt sich nun das Öl-Wasser-Trennsystem auslegen.

1,0 · 6,79g/m3 · 1620m3/h

8 bar (a) f2 = ~ 1,4 l/h

Page 136: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

132

5.4.2 Zuluftbedarf des Kompressorraumes

Für einen luftgekühlten Kompressor gilt der Grundsatz, dass die gesamte dem Kompressorraum

zugeführte Energiemenge von der Kühlluft abgeführt werden muss.

Für die Berechnung wird folgende Formel verwendet:

Q = m · cp · ∆T

Q = Wärmemenge (kW)

m = Massenstrom (kg/s)

cp = spezifische Wärmekapazität (kJ/kgK)

∆T = Temperaturdifferenz (K)

Umgestellt lautet die Formel:

Mit:

∆T = Temperaturanstieg der Kühlluft, meistens kann ein Anstieg von 10 K akzeptiert werden;

∆T = 10K

cp = spezifische Wärmekapazität für Luft = 1,006 kJ/kgK (bei 1 bar und 20 °C)

Q = gesamte Wärmemenge (kW) = 94 % der Wellenleistung des Kompressors + Differenz zwi-

schen der dem Kompressor zugeführten Gesamtleistung und der Wellenleistung + vom Kälte-

trockner freigesetzte Wärme

= 0,94 · 162 kW + (175-162)kW + 14,1 kW ~ 180 kW

Der Massenstrom der Kühlluft errechnet sich wie folgt:

Bei einer Luftdichte von 1,2 kg/m3 kann der Volumenstrom der Kühlluft berechnet werden:

17,9 kg/s / 1,2 kg/m3 ~ 15 m3/s

cp · ∆T

Qm =

Q

cp · ∆T

180

1,006 · 10m = ~ 17,9 kg/s=

Page 137: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

133

5.5Sonderfall 1: Höhenaufstellung

Frage: Wie verändert sich der erforderliche Volumenstrom, wenn die Druckluftanlage auf einer

Höhe von 2.500 m über dem Meeresspiegel und bei einer Umgebungstemperatur von 35 °C aufge-

stellt wird?

Antwort: Luft wird in großen Höhen dünner. Dieser Effekt muss berücksichtigt werden, wenn die

Druckluftanlage ausgelegt werden soll und der Bedarf der Verbraucher bezogen auf den Norm-

zustand angegeben wird (z. B. in Nm3/min). Wird der Verbrauch dagegen bezogen auf die jewei-

ligen Ansaugbedingungen vor Ort angegeben, ist keine Umrechnung erforderlich.

Da der erforderliche Volumenstrom für den Verbraucher 1 in Nm3/min angegeben wurde, muss

dieser Wert vor der Auslegung umgerechnet werden. Die vom Hersteller angegebenen techni-

schen Daten des Kompressors beziehen sich immer auf eine Aufstellung auf Meeresniveau, d. h.

1 bar und 20 °C Umgebungstemperatur. Aus diesem Grunde müssen die Bedingungen einer

Höhenaufstellung auf die Referenzbedingungen umgerechnet werden.

Aus einer Tabelle kann man entnehmen, dass auf einer Höhe von 2.500 m nur noch ein

Umgebungsdruck von 0,74 bar herrscht. Die Umrechnung des Volumenstromes auf Nl/s

(12 Nm3/min = 12000/60 nl/s = 200 Nl/s) und das Einsetzen in folgende Formel ergibt:

Der gesamte, bei der Höhenaufstellung zu erzeugende Volumenstrom beträgt

309 l/s + 67 l/s + 95 l/s = 471 l/s (FAD).

Der sich im Vergleich zu der Aufstellung auf Meeresniveau ergebende beträchtliche Unterschied

(Luftmehrbedarf 22 %) lässt erahnen, wie wichtig die korrekte Ermittlung der Umgebungsbedin-

gungen sein kann.

QN · (273+Ti) · 1,013

273 · Pi

200 · (273 + 35) · 1,013

273 · 0,74VFAD = ~ 309 l/s=

Page 138: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

134

5.6Sonderfall 2: Intermittierender Betrieb

Frage: Der Verbraucher 1 hat in diesem Beispiel einen zusätzlichen Druckluftbedarf von weiteren

200 l/s, der aber nur einmal pro Stunde für 40 Sekunden auftritt. Während dieser Zeit darf der

Betriebsdruck auf bis zu 5,5 bar (e) fallen. Wie groß muss der Druckluftbehälter sein, um diesen

zusätzlichen Bedarf decken zu können?

Antwort: Entnimmt man einem Druckluftnetz mehr Luft, als die Kompressoren liefern, fällt der

Druck. Die Geschwindigkeit des Druckabfalls wird durch das Netzvolumen bestimmt. Ist das

Volumen groß genug, kann ein unzulässig niedriger Druck verhindert werden. Durch Installation

eines zusätzlichen Behälters kann das Netzvolumen vergrößert werden. Abhängig von dem

zusätzlichen Bedarf muss aber der Behälter eine ausreichende Größe besitzen. Mit folgender

Formel lässt sich dieses Volumen berechnen:

Mit:

Q = zusätzlicher Volumenstrom während der Entleerungsphase = 200 l/s

t = Zeitdauer der Entleerungsphase = 40 Sekunden

P1 – P2 = zulässiger Druckabfall während der Entleerungsphase

= normaler Betriebsdruck – erforderlicher Mindestdruck im Netz

= 6,46 – 5,5 = 0,96 bar

Eingesetzt in die Formel ergibt sich für das Behältervolumen:

Dieses Verfahren kann aber nur dann angewandt werden, wenn der Kompressor während der

übrigen Zeit eine gewisse Überkapazität aufweist. Diese wird benötigt, um den Behälter bis zum

nächsten Zyklus wieder auffüllen zu können.

P1 – P2

Q · t

0,96

200 · 40= 8.340 l=V =

P1 – P2

Q · tV =

Page 139: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

135

5.7Sonderfall 3: Wärmerückgewinnung mit Kühlwasser

Frage: Der in dem Beispiel beschriebene Kompressor soll mit einer auf einem Wasserkreislauf

basierenden Wärmerückgewinnung ausgestattet werden. Es wird angenommen, dass Wasser mit

einer Temperatur von 55 °C erwärmt werden soll. Wie groß sind der erforderliche Wasserstrom,

die zurückgewinnbare Energiemenge und die Menge und Temperatur des Heißwasserrücklaufes?

Antwort: Zuerst sollte der Wärmerückgewinnungskreislauf aufgezeichnet und die einzelnen Ener-

gien, Volumenströme und Temperaturen eingezeichnet werden. Es ergibt sich für das Beispiel:

QE = die dem Rückgewinnungskreislauf vom Kompressor zugeführte Wärmemenge (kW)

QP = die dem Heißwasserkreislauf von dem Rückgewinnungskreislauf zugeführte

Wärmemenge (kW)

mE = Wasserstrom im Wärmerückgewinnungskreislauf (l/s)

mP = Wasserstrom im Heißwasserkreislauf (l/s)

tE1 = Wassertemperatur vor dem Kompressor (°C)

tE2 = Wasserkreislauf nach dem Kompressor (°C)

tP1 = Temperatur des Heißwassers vor dem Wärmetauscher der Wärmerückgewinnung

tP2 = Temperatur des Heißwassers nach dem Wärmetauscher der Wärmerückgewinnung

5:2

Page 140: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

136

5.7.1 Annahmen

Es werden folgende Annahmen zugrunde gelegt:

Die maximal erreichbare Rücklauftemperatur des Wassers vom Kompressor kann vom Hersteller

des Kompressors erfragt werden. Für das Beispiel wird ein Wert von tE2 = 80 °C angenommen.

Für die Berechnung der Wassertemperaturen im Wärmetauscher der Wärmerückgewinnung

werden folgende Annahmen getroffen:

tE1 = tP1 + 5 °C

tP2 = tE2 – 5 °C

Weiterhin wird angenommen, dass die Rohre und der Wärmetauscher keine Wärme an die Umge-

bung abgeben.

5.7.2 Berechnung des Wasserstromes im Wärmerückgewinnungskreislauf

Q = m · cp · ∆T

∆T = Temperaturanstieg im Kompressor = tE2 – tE1 = 80 °C – 60 °C = 20 °C

cp = spezifische Wärmekapazität für Wasser = 4,18 kJ/kgK

Q = QE = zurückgewinnbare Wärme = 70 % der Wellenleistung = 0,7 · 162 kW = 113 kW

m = Massenstrom des Wassers im Wärmerückgewinnungskreislauf = mE

Die Formel lautet:

4,18 kJ/kgK · 20 °CcP · ∆T

QE 113 kWmE = = 1,35 kg/s=

Page 141: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

137

5.7.3 Wärmemengenberechnung

Für den Wärmetauscher ergibt sich:

QE = mE · cp · (tE2 – tE1)

Qp = mp · cp · (tp2 – tp1)

Bei dieser Berechnung wird vorausgesetzt, dass kein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfin-

det und dass die vom Kompressor in den Wärmerückgewinnungskreislauf übertragene Wärme

vollständig an den Heißwasserkreislauf weitergegeben wird, d. h. Qp = QE = 113 kW.

Die Formel für den Wasserstrom lautet:

5.7.4 Zusammenfassung

Den Berechnungen kann entnommen werden, dass die zurückgewinnbare Wärmemenge 113 kW

beträgt. Um diese Wärme zu gewinnen, benötigt man einen Wasserstrom von 1,35 l/s im Rückge-

winnungskreislauf. Damit ist es möglich, 1,35 l/s Wasser um 20 °C zu erwärmen.

(tp2 – tp1) · cp

Qp

(75 – 55) °C · 4,18kJ/kgK

113 kWmp = = = 1,35 l/s

Page 142: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

138

5.8Sonderfall 4: Druckverlust in der Druckluftleitung

Frage: Durch ein 23 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 80 mm soll ein Volumen-

strom von 140 l/s fließen. Das Rohr besitzt insgesamt acht 90°-Bögen, die denselben Innendurch-

messer wie das Rohr besitzen. Wie groß ist der Druckverlust im Rohr, wenn der Eingangsdruck

8 bar (a) beträgt?

Antwort: Zuerst muss die äquivalente Rohrleitungslänge für die 90°-Bögen ermittelt werden. Die

äquivalente Rohrleitungslänge kann der Tabelle 3:36 entnommen werden und liegt bei 1,3 m pro

Bogen. Die gesamte äquivalente Rohrleitungslänge beträgt daher 8 · 1,3 m + 23 m = 33,4 m. Der

Druckverlust wird mit folgender Formel bestimmt:

Setzt man die Werte ein, ergibt sich:

Der Druckverlust im Rohr beträgt 0,0054 bar.

805 mm · 8 bar (a)

1401,85 l/s · 33,4 m~ 0,0054 bar∆p = 450

d5 · p

Qc1,85 · l

∆p = 450

Page 143: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

Kapitel 6 Anhang

Page 144: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

140

6.1Das SI-System

Das SI-System bildet für viele Länder dieGrundlage für die Angabe von technischenDaten. Diese gemeinsame Grundlage ermög-licht es, Einheiten leicht umzurechnen, undvereinfacht den Austausch von Informatio-nen und die Dokumentation von technischenAnlagen und Maschinen.

Alle Einheiten werden vom SI-Systemin vier verschiedene Klassen eingeteilt:

BasiseinheitenHilfseinheitenAbgeleitete EinheitenZusätzliche Einheiten

Wird ein Zusatz wie Mikro, Milli, Kilo,Mega etc. vor der Einheit verwendet, entstehteine so genannte multiple Einheit.

Basiseinheiten, Hilfseinheiten und ab-geleitete Einheiten werden als SI-Einheitenbezeichnet, während multiple Einheiten alsEinheiten im SI-System bezeichnet werden.Zusätzliche Einheiten gehören nicht zumSI-System.

Alle SI-Einheiten können in den Basis-einheiten ausgedrückt werden.

Es gibt 7 Basiseinheiten im SI-System:

Für die Länge Meter mFür die Masse Kilogramm kgFür die Zeit Sekunde sFür den elektrischenStrom Ampere AFür die Temperatur Kelvin KFür die Lichtstärke Candela cdFür die Substanzmenge Mol mol

Obwohl Hilfseinheiten auch grundlegen-de Dinge beschreiben, sind sie jedoch nichtals Basiseinheiten oder abgeleitete Einheitenklassifiziert.

Zwei Hilfseinheiten werden zum SI-Systemgezählt:

Für flache Winkel Radian radFür räumliche Winkel Steradian sr

Abgeleitete Einheiten, wie zum Beispieldie Leistung oder das Produkt aus Leistungund anderen Basiseinheiten, sind so zusam-

Frequenz Hertz Hz - s-1

Kraft Newton N - m · kg · s-2

Druck Pascal Pa N/m2 m-1 · kg · s-2

Arbeit Joule J N · m m2 · kg · s-2

Leistung Watt W J/s m-2 · kg · s-3

Elektrische Ladung Coulomb C A · s s · ASpannung Volt V W/A m2 · kg · s-3 · A-1

Kapazität Farad F C/V m-2 · kg-1 · s4 · A-2

Widerstand Ohm W V/A m2 · kg · s-3 · A-2

Leitfähigkeit Siemens S A/V m-2 · kg-1 · s3 · A2

Magnetische Feldstärkendichte Tesla T Wb/m2 kg · s-2 · A-1

Magnetische Feldstärke Weber Wb V · s m2 · kg · s-2 · A-1

Induktiver Widerstand Henry H Wb/A m2 · kg · s-2 · A-2

Lichtstromdichte Lumen lm cd · sr cd · srLichtstärke Lux lx lm/m2 cd · sr · m2

Fünfzehn abgeleiteten Einheiten hat man einen eigenen Namen gegeben:

Ausgedrücktin Basis- undHilfseinheiten

Bezeichnung Einheit Symbol Ausgedrücktin anderen

SI-Einheiten

Page 145: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

141

mengesetzt, dass sie die physikalischenGesetze zwischen den einzelnen Einheitenbeschreiben.

Zusätzliche Einheiten. Es gibt verschiede-ne Einheiten außerhalb des SI-Systems, dieaus unterschiedlichen Gründen im täglichenGebrauch immer noch verwendet werdenund noch nicht durch Einheiten des SI-Systems ersetzt wurden, obwohl dies möglichwäre. Eine Anzahl dieser Einheiten ist hierzusammengestellt und soll zusammen mitden SI-Einheiten verwendet werden.

Des Weiteren gibt es zusätzliche Ein-heiten, die hauptsächlich in der Physik undin der Astronomie verwendet werden. Alldiese Einheiten wurden 1969 vom ComitéInternational des Poids et Measure (CIPM)genehmigt und werden zusammen mit denSI-Einheiten verwendet.

Winkel Grad …˚ 1˚ =

Winkel Minute …‚

1‚

=

Winkel Sekunde …„

1„

=

Volumen Liter l 1l = 1 dm3

Zeit Minute min 1 min = 60 sZeit Stunde h 1 h = 60 min = 3.600 sZeit Tag d 1 d = 24 hMasse Tonne t 1 t = 1.000 kgDruck bar bar 1 bar = 105 Pa = 105 N/m2

Die folgenden zusätzlichen Einheiten werden in der Technik verwendet:

BemerkungZusätzliche Einheit

Einheit SymbolBezeichnung

π180

1˚60

1‚

60

Page 146: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

142

Multiple Einheiten. Eine multiple Einheitwird aus einer SI-Einheit oder einer zusätzli-chen Einheit und einem Zusatz gebildet, derein Vielfaches von 10 darstellt. Vierzehn sol-

cher Zusätze werden in den internationalenRegeln definiert und in der folgenden Tabelleaufgeführt.

Exponential- Prefixdarstellung Bezeichnung Symbol Beispiel

1012 Tera T 1 Terajoule 1 TJ109 Giga G 1 Gigawatt 1 GW106 Mega M 1 Megavolt 1 MV

103 Kilo k 1 Kilometer 1 km102 Hekto h 1 Hektogramm 1 hg101 Deka da 1 Dekalument 1 dalm

10–1 Dezi d 1 Dezimeter 1 dm10–2 Zenti c 1 Zentimeter 1 cm10–3 Milli m 1 Milligramm 1 mg

10–6 Mikro µ 1 Mikrometer 1 µm10–9 Nano n 1 Nanohenry 1 nH10–12 Piko p 1 Pikofarad 1 pF

10–15 Femto f 1 Femtometer 1 fm10–18 Atto a 1 Attosekunde 1 as

Druck

Pa = N/m2 bar kp/cm2 Torr m vp mm vp

1 10–5 1,02 · 10–5 7,5 · 10–3 1,02 · 10–4 0,102105 1 1,02 750 10,2 1,02 · 104

9,81 · 104 0,981 1 735 10 104

133,3 1,33 · 10–3 1,36 · 10–3 1 1,36 · 10–2 13,69,81 · 103 9,81 · 10–2 0,1 73,5 1 103

9,81 9,81 · 10–5 10–4 7,35 · 10–2 10–3 1

Energie

J kJ kWh kpm kcal

1 10–3 2,78 · 10–7 0,102 2,39 · 10–4

1000 1 2,78 · 10–4 102 0,2393,6 · 106 3,6 · 103 1 3,67 · 105 860

9,81 9,81 · 10–3 2,72 · 10–6 1 2,39 · 10–3

4,19 · 103 4,19 1,16 · 10–3 427 1

Leistung

W kpm/s kcal/s kcal/h hk

1 0,102 0,239 · 10–3 0,860 1,36 · 10–3

9,81 1 2,34 · 10–3 8,43 1,33 · 10–2

4,19 · 103 427 1 3,6 · 103 5,69

1,163 0,119 0,278 · 10–3 1 1,58 · 10–3

735 75 0,176 632 1

Page 147: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

143

6.2Zeichnungssymbole

Luftfilter

Schalldämpfer

Diffusor

Kompensator

Dämpfungsventil

Schraubenkompressor

Rückschlagventil

Absperrventil

Sicherheitsventil

Handventil

Ventil, schließt beisteigendem Druck

Ventil, öffnet beisteigendem Druck

Ölabscheider

Düse

Wassergekühlter Kühler

Wasserabscheider

Kondensatabscheider

Fließrichtung

Luftgekühlter Kühler

Lüfter

Ausdehnungsgefäß

Mindestdruckventil

Thermostatventil

Thermostatventil

Page 148: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

144

Elektromotor

ElektrischerSchaltschrank

Motorkupplung

Blindflansch

Sensor für Druck,Temperatur etc.

Sensor für Druck,Temperatur etc.

Sensor für Druck,Temperatur etc.

Flüssigkeitsfilter

Pumpe

Öltank mitmanuellem Ablass

Drossel

Bypass

Druckregler

Öl-Stop-Ventil

Luft

Öl

Wasser

Kondensat

Belüftungskanal

MechanischeVerbindung

Steuerluft

ElektrischesSignal

Grenzlinie

ElektrischeEnergie

Page 149: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

145

6.3Diagramme

und Tabellen

Wärmekapazitäten verschiedener Stoffe

Fließkoeffizienten in Abhängigkeit vomDruckverhältnis bei verschiedenen κ-Werten

Physikalische Werte von trockener Luft aufMeeresniveau (15 °C und 1,013 bar)

Page 150: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

146

Wassergehalt der Luft bei verschiedenen Wasserdampfdrücken.Als Anhalt gilt: Der maximale Wassergehalt verdoppelt sich bei einem Temperaturanstieg um 11 °C.

Das Diagramm zeigt das Temperaturverhältnis T2/T1 für verschiedene Gasebei unterschiedlichen κ-Werten während einer isentropen Verdichtung

Page 151: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

147Dampfdruck (Ps) und Dichte (ρw) von

gesättigtem Wasserdampf

Zusammensetzung von trockener Luft aufMeereshöhe. Diese Zusammensetzung ist bis zu

einer Höhe von 25 km relativ konstant.

Page 152: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

148

Auf Erfahrungswerte basierende Druckluftverbräuche einiger Werkzeuge und Maschinen. Die Werte könnenals Grundlage zur Auslegung eines Kompressors verwendet werden.

Page 153: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

149Wassergehalt von Luft bei verschiedenen Taupunkten

Page 154: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

150

6.4Übersicht über

verschiedene Standardsund Normen

Hier folgt eine Zusammenfassung vonaktuellen Normen und Standards aus demBereich der Drucklufttechnik. Die aufge-listeten Normen sind fast alle europäischoder international gültige Normen.

Vor Verwendung dieser Normen solltebeim Herausgeber der Normen geprüftwerden, ob es eine aktuellere Ausgabe derNorm gibt.

6.4.1 Sicherheitsbestimmungenund -standards

6.4.1.1 Maschinensicherheit

EU-Direktive 89/392/EEG,Maschinenrichtlinie

EN 1012-1 Kompressoren und Vakuumpumpen– Sicherheitsbestimmungen –Teil 1: Kompressoren

EN 1012-2 Kompressoren und Vakuumpumpen– Sicherheitsbestimmungen –Teil 2: Vakuumpumpen

6.4.1.2 Druckbehälter

EU-Direktive 87/404/EEG,einfache Druckbehälter

EU-Direktive 76/767/EEG,gemeinsame Richtlinie für Druckbehälter undInspektionsmethoden

EU-Direktive 97/23/EG,Druckgeräterichtlinie

EN 764 Druckgeräte – Begriffe und Symbole –Druck, Temperatur

EN 286-1 Einfache, unbeheizte Druckbehälterfür Luft und Stickstoff – Teil 1: Auslegung, Her-stellung und Test

EN 286-2 Einfache, unbeheizte Druckbehälterfür Luft und Stickstoff – Teil 2: Druckluft-behälter für Druckluftbremsen und andereSysteme von motorbetriebenen Fahrzeugen undAnhängern

EN 286-3 Einfache, unbeheizte Druckbehälterfür Luft und Stickstoff – Teil 3: Druckluft-behälter für Druckluftbremsen und andereSysteme von Zügen

EN 286-4 Einfache, unbeheizte Druckbehälterfür Luft und Stickstoff – Teil 4: Druckluftbe-hälter aus Aluminium für Druckluftbremsenund andere Systeme von Zügen

6.4.1.3 Umweltschutz

Pneurop PN8NTCI, Schallmessverfahren fürKompressoren

ISO 84/536/EC Schallpegel von Maschinen,Spezieller Standard für Schallmessungen derISO

6.4.1.4 Elektrotechnik

EU-Richtlinie 89/336/EEG ElektromagnetischeVerträglichkeit

EN 60204-1 Maschinen, Elektrosicherheit

EN 60439-1 Niederspannungsschaltgeräte

Page 155: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

151

6.4.2Technische Standards und Normen

6.4.2.1 Standardisierung

ISO 3857-1 Kompressoren, Druckluftwerkzeugeund Maschinen – Begriffe – Teil 1: Allgemein

ISO 3857-2 Kompressoren, Druckluftwerkzeugeund Maschinen – Begriffe – Teil 2: Kompres-soren

ISO 5390 Kompressoren – Klassifizierung

ISO 5941 Kompressoren, Werkzeuge undMaschinen – Empfohlene Drücke

6.4.2.2 Spezifikationen

ISO 1217 Drucklufttechnik – Verdrängerkom-pressoren – Abnahmetests

ISO 5389 Turbokompressoren – Testvorschriften

ISO 7183-1 Drucklufttrockner -Teil 1: Spezifikation und Tests

ISO 7183-1 Drucklufttrockner -Teil 2: Leistungsangaben

ISO 8010 Kompressoren für die Prozessindus-trie – Schrauben und verwandte Typen –Spezifikationen und Angaben für Auslegungund Konstruktion

ISO 8011 Kompressoren für die Prozessindus-trie – Turbokompressoren - Spezifikationen undAngaben für Auslegung und Konstruktion

ISO 8012 Kompressoren für die Prozessindus-trie – Kolbenkompressoren - Spezifikationenund Angaben für Auslegung und Konstruktion

ISO 8573-1 Druckluft für allgemeine Verwen-dung – Teil 1: Verunreinigungen und Quali-tätsklassen.

EU-Richtlinie 73/23/EEG Niederspannungs-richtlinie

6.4.2.3 Messmethoden

ISO 8573-2 Druckluft für allgemeine Verwen-dung – Teil 2: Messmethoden für Ölaerosol-anteile

ISO 8573-3 Druckluft für allgemeine Verwen-dung – Teil 3: Messmethoden für Feuchtigkeit

ISO 8573-4 Druckluft für allgemeine Verwen-dung – Teil 4: Messmethoden für Partikel

Page 156: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

152

Index

Abgasemissionen 3.7.2Abscheidegrad 2.4.2Absolutdruck 1.2.1Absoluter Nullpunkt 1.2.2Absorption 2.4.1Absorptionstrockner 2.4.1.4Adsorption 2.4.1Adsorptionstrockner 2.4.1.5Aktivkohlefilter 2.4.2, 3.2.5Allgemeiner Gaszustand 1.3.2Angesaugte Luft 3.5.4Ansaugdrosselung 2.5.2.3, 2.5.3.1Ansaugdruckunterschiede 3.1.3.2Äquivalente Rohrleitung 3.6.3Arbeit 1.2.4Atmosphärischer Druck 1.2.1 Atomzahl 1.1.1Auslegung 3.1, 5.1Ausnutzungsgrad 3.1.1.1Axiale Turbokompressoren 2.2.3

Bauarten von Motoren 1.6.5.6Belastung 2.5.1Betriebsanalyse 3.1.1.3Betriebskosten 4.1.1.1 – 4.1.1.2Betriebsüberdruck 3.1.1.1Blindleistung 1.6.4Blindwiderstand 1.6.2Boyle, Gesetz von 1.3.2 Bypassregelung 2.5.2.2

Celsiusskala 1.2.2Charles, Gesetz von 1.3.2

Dämpfung 3.9.5Dezentrale Installation 3.1.2.3Dezibel 3.9.1Direktschaltung 3.8.3Doppelt wirkende Kompressoren 1.5.2, 2.1.2Drehstrom 1.6.3Drehzahlregelung 2.5.4.3Drehzahnkompressor 2.1.6Dreieckschaltung 1.6.5.7Drosselung 1.3.7Druck 1.2.1Druckband 2.5.4.2Druckluftbedarf 3.1.1.2Druckluftbehälter 3.6.1.1Druckluftqualität 3.2.2Druckluftverbrauch 1.1.2, 4.2.3Druckluftverteilung 3.6.1Druckmessungen 1.2.1, 2.5.5.2Druckschalter 2.5.4.2

Drucktaupunkt 2.4.1Druckverhältnis 1.5.2Druckverlust 1.3.6, 4.2.2Druckverstärker 2.3.3Düsen 1.3.5

Einfach wirkender Kompressor 1.5.2, 2.1.2Einsparmöglichkeiten 4.2Elektromagnetische Kraft 1.6.2Elektronen 1.1.1Elektronenschalen 1.1.1Entlasten/Belasten 2.5.1

Fahrbare Generatoren 3.7.3Fahrbare Kompressoren 3.7Fernüberwachung 2.5.5.3, 2.5.8Feuchte Luft 1.4.2Filter 2.4.2, 3.2.5FlüssigkeitseingespritzerSchraubenkompressor 2.1.5.2Flüssigkeitsringkompressoren 2.1.9Frequenz 1.6.1Frequenzkurven 3.9.7Frequenzumrichter 2.5.4.3

Gaskonstante 1.3.2Generatoren 3.7.3Gesamtkosten 4.3.2Glykolmischungen 3.3.1.4

Hauptspannung 1.6.3Hochdruckkompressor 3.6.1.1Hochspannung 1.6.1Hubvolumen 1.5.3

Individuelle Gaskonstante 1.3.2Investitionen 4.1.1.1Isentrope Prozesse 1.3.4.4Isobare Prozesse 1.3.4.2Isochore Prozesse 1.3.4.1Isolationsklassen 1.6.5.3Isotherme Prozesse 1.3.4.3

Joule-Thomson-Effekt 1.3.7

Kabel 3.8.6Kältetrockner 2.4.1.2Kapazitive Druckmessung 2.5.5.2 Kelvinskala 1.2.2Kleinspannung 1.6.1Kolbenkompressoren 1.5.1 – 1.5.2, 2.1.2Komplettanlage 3.5.1

A

E

F

G

H

I

J

K

B

C

D

Page 157: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

153

Kompressorauslegung 4.3.2Konvektion 1.3.3Kostenaufteilung 4.1.1.1, 4.3.2Kritischer Volumenstrom 1.3.5Kritisches Druckverhältnis 1.3.5Kühlluftmenge 3.5.5Kühlmethoden 3.3Kühlsystem, geschlossen 3.3.1.4Kurzschlussläufermotor 1.6.5Kurzschlusssicherung 3.8.5

Labyrinthdichtungen 2.1.2Laminare Strömungen 1.3.6Lebensdaueranalyse 4.3.2Lebenskostenanalyse 4.3.2Leckagen 3.1.1.3, 4.2.3Leistung 1.2.5LogarithmischeDurchschnittstemperatur 1.3.3Luft 1.4Lufteinlass 3.5.4Lüfter 3.5.5Luftzusammensetzung 1.4.1

MD-Adsorptionstrockner 2.4.1.5Mehrstufiges Entlasten 2.5.2.8Membranfilter 3.2.8Membrankompressoren 2.1.4Mikroorganismen 3.2.4Molekularbewegung 1.1.2Moleküle 1.1.1

Nachkühler 2.4.1.1Nachlaufzeit 2.5.4.2Nachverdichter (Booster) 2.3.2Neutronen 1.1.1Niederspannung 1.6.1Normen und Regeln 3.9, 6.4Normzustand 1.2.6

Offenes Kühlsystem 3.3.1.2, 3.3.1.3Ohmsches Gesetz 1.6.2Öl/Wasseremulsion 3.2.8Ölfilter 3.2.5Ölfreier Kompressor 2.1.3, 2.1.5.1Ölfreier Schraubenkompressor 2.1.5.1Optimierter Kompressorbetrieb 4.1.1.1

Partikelfilter 2.4.2Phasenkompensation 3.8.7Phasenspannung 1.6.3Phasenverschiebung 1.6.2Plasma 1.1.2Polytroper Prozess 1.3.4.5

Protonen 1.1.1

Qualitätsklassen gem. ISO 3.2.2

Radiale Turbokompressoren 2.2.1, 2.2.2Raumkonstante 3.9.4Regelsysteme 2.5.1Regelung 2.5.1, 2.5.3.4Reihenfolgesteuerung 2.5.6.1Reynoldszahl 1.3.6Ringleitung 3.6.2Rohre 1.3.3Rohrresonanzen 3.5.4Rotationskompressoren 2.1.8

Schallabsorption 3.9.9Schalldämpfung 3.9.9Schalldruckpegel 3.7.2, 3.9.2, 3.9.10Schallleistungspegel 3.9.1Schallmessungen 3.9.7Scheinleistung 1.6.4Scheinwiderstand 1.6.2Schraubenkompressoren 2.1.5Schütze 3.8.3Schutzklassen 1.6.5.4Scrollkompressoren 2.1.7Sicherungen 3.7.5Softstart 3.8.3Spannung 1.6.1Start/Stop-Regelung 2.5.2.5Starter 3.8.3, 3.8.5Sterilfilter 3.2.5Stern-Dreieck-Anlauf 3.8.3Sternanschluss 1.6.3Steuerspannungstransformator 3.8.4Strahlung 1.1.1Strom 1.6.1Synchrondrehzahl 1.6.5.1

Taupunkt 1.4.2Temperatur 1.2.2Temperaturabhängiger Widerstand 2.5.5.1Temperaturmessung 2.5.5.1Thermistor 2.5.5.1Thermodynamik 1.3Totraumvolumen 1.5.3Turbokompressoren 2.2.1Turbulente Strömung 1.3.6

Übergeordnetes Leitsystem 2.5.6Überlastschutz 3.8.6Überströmen mit Ansaugdrosselung 2.5.2.4Überströmen 2.5.2.1, 2.5.3.4Überverdichtung 2.4.1.3

L

M

N

O

P

Q

R

S

T

U

Page 158: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

154

Vakuumpumpe 2.3.1Variable Austrittsöffnung 2.5.2.7Ventilentlastung 2.5.2.8Verdichtung in mehreren Stufen 1.5.5Verdrängerkompressoren 1.5.2Volumenstrom 1.2.6Volumenstrommessung 3.6.4Volumenstromregelung 2.5.1Vorfilter 3.5.4

Wärmekapazität 1.2.3Wärmerückgewinnung 3.4Wärmerückgewinnungaus Kühlwasser 3.4.3.3Wärmerückgewinnungaus Luft 3.4.3.2Wärmerückgewinnungspotenzial 3.4.2, 4.2.6Wärmeübertragung 1.3.3Wärmeübertragungskoeffizient 1.3.3Wärmeübertragungszahl 1.3.3Wartungskosten 4.2.7Wartungsplanung 4.2.7.1Wasserabscheider 2.4.1.1Wasserdampf 3.2.2Wassergehalt der Druckluft 2.4.1, 3.2.2Wassergekühlter Kompressor 3.3.1Wechselstrom 1.6.1Widerstand 1.6.2Widerstandsthermometer 2.5.5.1Wirkleistung 1.6.4Wirtschaftlichkeit Gesamtanlage 4.1.1.1

Zentrale Druckluftanlage 3.1.2, 3.5.1, 3.5.2, 3.5.3Zentrale Installation 3.1.2.2Zentrale Steuerung 2.5.7Zustandsänderungen 1.3.4

V

W

Z

Page 159: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

155

Page 160: Handbuch der Drucklufttechnik - dampfkesselservice.ch€¦ · Dieses Handbuch wurde herausgegeben von: Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH Kommunikation Langemarckstr

The

face

of

com

mitm

ent

AC

K 0

4/20

03

Was Atlas Copco als Firma heraushebt, ist unsere Überzeugung,

dass wir uns in unserem Tun nur auszeichnen können, wenn wir

das bestmögliche Know-how und die bestmögliche Technologie

bereitstellen, d. h. Instrumente, die unseren Kunden wirklich helfen,

zu produzieren, zu wachsen und Erfolg zu haben.

Es gibt eine einzigartige Methode, dies zu erreichen – wir nennen

sie schlicht die Atlas Copco-Methode. Sie gründet sich auf Gegen-

seitigkeit, langfristige Beziehungen und Engagement hinsichtlich des

Prozesses, der Bedürfnisse und der Ziele unserer Kunden. Sie ist die

Flexibilität, auf die unterschiedlichsten Forderungen der Menschen,

denen wir dienen, einzugehen.

Es ist die Verpflichtung gegenüber dem Geschäft unserer Kunden,

die hinter unseren Anstrengungen steht, ihre Produktivität durch

bessere Lösungen zu steigern. Das beginnt mit der uneingeschränkten

Unterstützung vorhandener Produkte und dem steten Bestreben,

Dinge besser zu machen, aber reicht noch viel weiter und schafft

Technologiefortschritte durch Innovation. Nicht um der Technologie

willen, sondern zum Vorteil des Betriebsergebnisses und der Zufrie-

denheit unserer Kunden.

Auf diese Weise strebt Atlas Copco danach, die erste Wahl zu blei-

ben, erfolgreich neue Absatzmöglichkeiten zu erschließen und unsere

Position als führendes Unternehmen in der Industrie zu behaupten.