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Allgemeine Informationen zur Auswahl und Auslegung von Verdichtereinrichtungen

Inhaltsverzeichnis:

Abgesehen davon, dass die Verdränger-Verdichter schon seit über 200 Jahren existieren, eine breite Anwendung haben sie erst in den letzten 100 Jahren gefunden. Der Anwendungsbereich umfasst sowohl den Haushalt - Druckluftversorgung von Drucklufterzeugern, als auch die gewerbliche Tätigkeit - Druckgasversorgung der Industrie-Abteilungen, Herstellung von Hochleistungs-Kälteanlagen u.a. Die Leistungskennwerte sind die Basis für die Ziehung vorläufiger Schlussfolgerungen über die Verdichtereinrichtung, die für den Einsatz in der Praxis gedacht ist. Diese Kenndaten sind von hoher Bedeutung für die Berechnung und Auslegung eines Verdichters, behilflich bei der Auswahl von Werkzeugen, Drucklufteinrichtungen und in Verbindung stehenden Energieträgern.

Verdichter werden in der Industrie für den Transport diverser Fluide breit eingesetzt und stellen mechanische Geräte dar, die das Betriebsmedium im gasförmigen Zustand komprimieren. Da es eine Vielzahl von Verdichtertypen gibt, ist eine ordnungsgemäße Berechnung und Auslegung erforderlich, um den Anforderungen des industriellen Anwendungsbereichs für diesen Gerätetyp gerecht zu werden.

Der Verdichtungsvorgang in einem Kompressor erfolgt üblicherweise entweder mittels rotierender Schaufeln oder in den Zylindern mithilfe von Kolben. Verdichter mit rotierenden Baugruppen werden für große Volumenstrommengen und niedrige Förderdrücke verwendet, wobei die Kolbenverdichter für Erzeugung von hohen Drücken dienen. Es gibt noch eine Reihe von Betriebswerten, die berücksichtigt werden müssen, einschließlich geltender Normen und Standarten. So ist die Auswahl eines Verdichters ein wichtiges Vorgehen unter Berücksichtigung mehrerer Faktoren.

Um die richtige Wahl mit einem Verdichter treffen zu können, braucht man erst zu verstehen, für welche Zwecke er verwendet wird; außerdem sind noch die Auslegungsdaten, wie Druck, Temperatur, Leistung, etc. erforderlich; dann muss man auch den Verdichtertyp bestimmen.

Gasangaben, geforderte Leistung, Ansaugdruck- und temperatur, sowie der Förderdruck sind einige der Hauptparameter für die Auswahl eines Verdichters.

Auswahl von Verdichtern basiert auf Thermodynamik als Basistheorie der Gasverdichtung, dem Vergleich einiger Verdichertypen, Berechnungs- und Auslegungstheorie, sowie stützt sich auch auf die Berechnungsformel. Um die Berechnungstheorie zu veranschaulichen, gibt es einige Gleichungen zur Berechnung des Verdichters.

Auswahl von Verdichtungsgeräten. Typ des Verdichters

Bleiben wir zunächst bei den Hauptschritten der Auswahl eines Verdichtungsgerätes.

Ein Verdichter (Kompressor) – ist eine Vorrichtung zur Drucksteigerung eines kompressiblen Mediums  durch Verringerung seines spezifischen Volumens während seiner Strömung durch den Verdichter. Je nach Anforderungen des Betriebsablaufs lässt sich das Druckniveau am Ein- und Austritt vom Grobvakuum (GV / Unterdruck) bis zu Ultrahochvakuum (UHV / Überdruck) variieren. Das ist eine der Hauptbedingungen, die für die Auswahl des Types und die Entscheidung über die Ausführung eines Verdichters relevant ist. Die Verdichter werden meist in zwei große Untergruppen geteilt: dynamische Verdichter (Turboverdichter) und Verdränger-Verdichter. Für einen Einsatzbereich können verschiedene Verdichtertypen ausgewählt werden, die aufgrund ihrer konstruktiven Besonderheiten einer konkreten Anwendung besser passen würden.

Eigenschaften des Betriebsmediums. Gasverdichtung

Im Verdichter können unterschiedliche Gase komprimiert werden. Für eine fachgerechte Auslegung des Verdichtungsgerätes benötigt der Hersteller die Angaben zu thermodynamischen Eigenschaften der Gase bzw. kompressiblen Gasgemisches. Für die Berechnung des Verdichters ist u.a. auch die komplette Gaszusammensetzung, Bezeichnung des Gases und seine chemische Formel erforderlich. Die Spezifikation eines Verdichters soll die Angaben zu der Gasanalyse (mit Auflistung sämtlicher Gaskomponenten und ihrer Bezeichnungen), Molekulargewicht, Siedepunkt u.a. enthalten. Diese Angaben sind sehr wichtig, da sie für viele Parameter des Verdichters entscheidend sind. Das Verhältnis zwischen den Hauptkennwerten des Gases (Druck, Temperatur und Volumen) wird als die Zustandsgleichung des Gases bezeichnet.

Die einfachere Zustandsgleichung des Gases ist – die Zustandsgleichung des idealen Gases.

P · V = R · T

wo:
P — Druck
V — molares Volumen
R — universelle Gaskonstante
T — Temperatur

Diese Gleichung wird nur für das Gas verwendet, dessen Temperatur viel höher als seine kritische Temperatur bzw. dessen Druck viel niedriger als sein kritischer Druck ist. Unter Atmosphärenbedingungen unterliegt die Luft diesem Gesetz.

Das reale Gas unterscheidet sich vom idealen um den s.g. Kompressibilitätsfaktor («Z», auch Kompressions- oder Realgasfaktor) - ein Begriff der Thermodynamik, der zur Beschreibung der Abweichung der thermodynamischen Eigenschaften der realen Gase von denen der idealen.

P · V = Z · R · T

«Z» - funktionaler Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung des Gases, seines Druckes und seiner Temperatur.

Verdichtungsvorgang

Verdichtungsgrad (R) – das Verhältnis von dem Förderdruck zu dem Ansaugdruck:

R = Pd/Ps (wo Pd und Ps - Absolutwerte).
Ein einstufiger Verdichter hat nur einen Wert R.
Ein zweistufiger Verdichter hat 3 Werte R.

R = gesamtes Verdichterdruckverhältnis
R1 = Verdichtungsgrad der ersten Stufe
R2 = Verdichtungsgrad der zweiten Stufe

R = Pd/Ps

R1 = Pi/P

R2 = Pd/Pi

Ps – Saugdruck
Pd – Förderdruck
Pi – Stufendruckverhältnis

Durch das Komprimieren des Gases verringert sich das für die Moleküle verfügbare Volumen, was zu der Verringerung des Molekülabstandes führt. Da die Anzahl von Gasmolekülen in einem Festvolumen sich erhöht, erhöht sich entsprechend die Masse und Dichte dieses festen Volumens. Die Erhöhung der Dichte bewirkt einen gleichzeitigen Anstieg des Druckes.

In der unteren Abbildung stellt die Senkrechte von Punkt 1 bis zu Punkt 2’ den isentropen Verdichtungsvorgang dar, bei dem eine geringe Verdichtungsarbeit von Р1 bis Р2 genügt. Der tatsächliche Verdichtungsvorgang folgt der Trajektorie von 1 nach oben und rechts in Richtung steigender Entropie und endet vor dem Punkt 2 auf der Kurve konstanten Druckes (Isobare) für Р2.






Die im Verdichter verlaufenden Prozesse sind gerichtet auf die Steigerung des Druckes und der Temperatur und auch auf die aus dem Verdichter abzuführende Wärme. In der Regel besteht die Anforderung in Steigerung des Gasdruckes mit dem geringsten Leistungsverbrauch. Bei dem adiabatischen Verdichtungsvorgang erfolgt keine Wärmeübertragung zwischen dem Verdichter und der Außenluft, bei dem isentropen Vorgang wird daher weniger Arbeit geleistet. Dies setzt voraus, dass es keine Verluste im Verdichter entstehen, was im Grunde unerreichbar ist; das kann man aber als Basis zur Ermittlung des indizierten Wirkungsgrades der Verdichtung nehmen. Der isentrope Wirkungsgrad des Verdichters ergibt sich als die Verdichtungsarbeit bei dem isentropen Vorgang, geteilt durch die tatsächlich für die Gaseverdichtung geleistete Arbeit. Der Wirkungsgrad des Verdichters wird oft als isentroper Wirkungsgrad angegeben.

Die bei dem reversiblen isothermischen Vorgang geleistete Arbeit ist weniger als die bei dem isentropen Vorgang. Bei dem reversiblen isothermischen Vorgang wird die Temperatur des Gases bei der Ansaugtemperatur durch die reversible Wärmeübertragung während der Verdichtung aufrechterhalten. Bei diesem Vorgang sollen keine Verluste entstehen, allerdings ist die Leistungsaufnahme fast immer höher als die isentrope Leistung, deswegen wird der isentrope Wirkungsgrad üblicherweise für die Klassifizierung der Verdichter verwendet.

Die zwei oben erwähnten grundsätzlichen Verdichtertypen - dynamische und Verdränger-Verdichter - unterscheiden sich durch das Verdichtungsprinzip. Bei der Verdränger-Bauart wird das Gas durch das Aufhalten von wesentlichen Gasvolumen in einem verschlossenen Raum mit danach folgender Volumenverringerung verdichtet. Die Verdichtung erfolgt, nachdem in den Verdichtungsraum (Prozesskammer) ein bestimmtes Gasvolumen eintritt und danach die Verkleinerung des inneren Volumens des Verdichtungsraums stattfindet.  

Der andere Verdichtertyp - dynamischer Verdichter, bei dem das Komprimieren des Gases durch die mechanische Wirkung der rotierenden Schaufeln bzw. Impellers mit Übergabe der Geschwindigkeit und des Druckes an Gas erfolgt. Der größere Durchmesser des Impellers sowie das größere Molargewicht des Gases und die größere Drehzahl lassen die höheren Drücke erzeugen. Gewöhnlicherweise werden die Verdrängerverdichter bei kleinen Fördermengen und großen Förderdrücken bevorzugt. Dynamische Verdichter sind bei großen Fördermengen und kleinen Förderdrücken zu bevorzugen.

Schritte zur Auswahl eines Verdichters können enthalten

  1. Berechnung des Verdichtungsgrades (Verdichterdruckverhältnises)
  2. Auswahl zwischen einem ein- oder mehrstufigen Verdichter
  3. Berechnung der Fördertemperatur
  4. Bestimmung des Volumenstroms
  5. Bestimmung des Betriebsvolumens
  6. Auswahl eines Verdichtermodells
  7. Bestimmung des minimalen Drehmoments
  8. Ermittlung des tatsächlichen Drehmoments
  9. Ermittlung des tatsächlichen Betriebsvolumens
10. Berechnung der erforderlichen Leistung
11. Auswahl passender Optionen
12. Auswahl eines geeigneten Verdichters

Verdichtungsgeräte - Technische Daten

Zu den wichtigsten Kenndaten der Verdichter gehören folgende:

  • Austrittsdruck (bzw. Auslassdruck) in physikalischen Atmosphären oder Bar. Die Leistung der beliebten Alltagsmodelle der Verdichter liegt bei nur 6 bis 8 Bar, wobei die Industrieverdichter einen Luftdruck von bis zu 25 Bar erzeugen können. Der Druck bedeutet, dass das eine oder das andere Modell des Verdichters imstande ist, einen bestimmten Innendruck zu erzeugen und eine Luftmenge in einen luftdichten Hohlraum zu fördern. Der Kennwert des erzeugenden Druckes wird von der Klasse und Leistung des Verdichtungsaggregates bestimmt. Im Alltag besteht es kein Bedarf, einen Verdichter zu nutzen, der Überdrücke erzielen kann, es wird ein kleineres Gerät mit einem Betriebsdruck von 10 Bar genügen. Einem großen Betrieb hingegen können diese Lesitungswerte nicht immer ausreichen, da sind leistungsfähigere Verdichtungsmaschinen oder -Anlagen benötigt. Der Betriebsdruck des Verdichters ist ein Durchschnittswert zwischen dem erzeugenden Maximaldruck, bei dem der Fördervorgang anhält, und dem Minimaldruck im System, der den Verdichter neu starten lässt. In der Regel beträgt die Druckdifferenz zwischen dem Anhalten und Neuanlauf des Verdichters 2 Bar. Ausgehend von diesem Wert, werden alle Verdichter nach Niederdruck-, Mitteldruck- und Hochdruckverdichter unterteilt. Nicht jeder Verdichter verfügt über eine nötige Leistung für das Komprimieren der Luft bei Erzeugung eines Hochdruckes, da nur leistungsstarke Kolbeneinrichtungen fähig sind, die Druckwerte bis hin zu 30 physikalischen Atmosphären zu erzielen. Ihre Alternativen - die Schraubenverdichter - erreichen die so hochgelegte "Sprunglatte" noch nicht;
  • Ein- und Austrittsdruck. Es ist erforderlich den niedrigsten Druckwert der Gasströmung am Eintritt anzugeben, da anhand dieser Angaben die Leistung des Verdichters garantiert wird. Es kann sich um den Absolut- und Überdruck handeln, ein Vermerk diesbezüglich ist in der Spezifikation einzusetzen. Außerdem sollen auch die Druckeinheiten angegeben werden (atm, Pa, bar usw.).
  • Eintrittstemperatur. Die Entrittstemperatur wird von dem Volumenstrom, erforderlichen Druck und der Leistungsaufnahme beeinflusst. Es wäre daher nötig auch die maximale Eintrittstemperatur anzugeben.
  • Fördertemperatur. Die Fördertemperatur  (Td) befindet sich in der Abhängikeit von der Eintrittstemperatur, dem Verdichtungskoeffizient, der spezifischen Wärmekapazität des Gases und dem Verdichtungswärmegrad. Die Eintrittstemperatur ist wichtig für die mechanische Auslegung des Verdichters, Auswahl der Verdichtungsstufe und auch für die Berechnung eines Wärmetauschers bzw. Kühlers und der Rohrleitungen.
  • Saug- bzw. Förderleistung (Ansaug- bzw. Förderluftmenge am Austritt). Da die Förderleistung des laufenden Verdichters infolge der Luftverluste immer abnimmt, die Saugleistung aber immer ein wenig höher ist, wird von den Herstellern der Verdichtungsgeräte in den Datenblättern überwiegend den ersten Wert angegeben. Die Leistung zeigt das Luftvolumen (bzw. Luftmenge), welches der Verdichter innerhalb eines bestimmten Zeitraums (abgesehen von dem von ihm erzeugenden Druck) liefern kann und wird in m3/St. oder l/Min gemessen. Verschiedene Verdichtertypen haben unterschiedliche Leistungswerte, die für die konkreten Einsatzbereiche der Verdichtungsgeräte entscheidend sind. Die vom Verdichter angesaugte Luftmenge am Eintritt vor dem Anfang des Verdichtungsvorgangs gehört auch zu den Leistungskennwerten des Gerätes. Dieser Wert wird auch als Volumenstrom bezeichnet. In dem praktischen Einsatz hat sich aber erwiesen, dass es ein Unterschied zwischen diesen Werten besteht, daher wäre es besser, sich jedoch auf den Wert der Austrittsleistung zu verlassen. Unter Berücksichtigung der erforderlichen Leistung ist ein Verdichter mit einem Leistungsüberschuss ca. 30% zu bevorzugen;
  • Leistung des Motors, mit dem der Verdichter ausgestattet ist, in kW. Es können Dieselmotoren, Turbinen, Elektromotoren sein. Die Motorleistung, von welcher die Lüftförderung abhängt, ist einer der entscheidendsten Kennwerte. Je höher ist die Leistung, desto größer ist der Energieverbrauch. Bei einer Fehlkalkulation der Motorleistung wird die Energie eines Verdichters einfach umsonst verschwendet. In der Regel werden die Hochleistungsmotoren bei den entsprechend Hochleistungsaggregaten eingesetzt, bei welchen die Notwendigkeit gerade in diesen Antriebstypen besteht;
  • Gewicht und Außenmaße des Verdichters. Diese Werte können unterschiedlich sein. Sie variieren von ziemlich kleinen Größen, die typisch für kompakte Garage-Geräte sind, welche sich leicht bis zum Ausführungsort transportieren lasen, bis hin zu Großgeräten, für die Anordnung derer eventuell ein gesamter Raum benötigt wird. Große Unternehmen, die Hochleistungsanlagen in massiver Ausführung einsetzen, lenken keine besondere Aufmerksamkeit auf derer Gewicht oder Abmessungen, da diese Anlagen zu den stationären gehören, wie oben erwähnt, in einem separaten Maschinenraum aufgestellt werden. Das Gewicht und die Außenmaße einer Verdichtungsanlage sind immer direkt mit ihren Leistungsmöglichkeiten verbunden.
    Ein Haushalts-Verdichter ist ziemlich kompakt und bei ihm machen die Druckluftspeicher mit einem Volumen von 50 l, 100 l, 200 l und größer den Hauptteil seiner Außenmaße aus. Als Alternative gilt ein Schraubenverdichter, der zur Erzielung einer gleichmäßigen Luftförderung keinen Druckspeicher benötigt. Es ist offensichtlich, das ein Verdichter ohne Druckspeicher wesentlich weniger wiegt und geringere Außenmaße hat, was ihn mobiler macht;
  • Druckluftspeichervolumen gehört zu den nicht weniger wichtigen Parametern, die einem Verdichter erlauben, im Leergang zu laufen. Das sind Spezialbehälter zur Ansammlung von Druckluft. Das Volumen des Druckspeichers lässt die Druckluftgeräte länger in einem unabhängigen Betriebsmodus (nach Abschalten) laufen, was die Energie spart. Noch ein Vorteil eines Druckspeichers besteht darin, dass die Luftförderung unter vorgegebenen Druckwerten erfolgen kann.
  • Korrosions-Aggressivität des Gases. Die Zusammensetzung eines korrosiven Gases soll für alle Betriebsbedingungen bestimmt werden. Das ist deswegen wichtig, weil die Wirkung eines korrosiven Gases während des Verdichtungsvorgangs zu der Rissbildung führen kann; die s.g. Rissbildung durch die Korrosion unter Spannung in Hartstoffen.
  • Flüssigkeit im Gasstrom. Es ist notwendig, das Vorhandensein von Flüssigkeit in einem Gas zu vermeiden, da es zu Schaden am Verdicher führen kann. Im Falle des Vorhandenseins von Flüssigkeit im Betriebsmedium soll der Verdichter mit einem Flüssigkeitsabscheider ausgestattet werden. Außerdem ist auch eine elektrische Heizung und eine Isolierung der Eintrittsöffnung des Verdichters erforderlich, wenn die Außenlufttemperatur am Eintritt des Verdichters niedriger als die Taupunkttemperatur des Gases ist oder wenn die Verdichtung von Kohlenwasserstoffkomponenten erfolgt, die schwerer als Athan sind.

Es gibt Industriegebiete, wie z.B. Lebensmittelindustie, wo bei den Prozessvorgängen kein Vorhandensein von Fremdbestandteilen im Druckluft  zulässig ist. Daher wird bei der Auswahl eines Verdichters in diesen Fällen nicht den Leistungswerten, sondern den Ausführungsbesonderheiten Priorität eingeräumt. In diesem Fall sollen die technischen Daten der Verdichter in strenger Übereinstimmung mit den Anforderungen an die Reinheit der Druckluft, die Verdichtung derer in einem Gerät erfolgen soll, bei welchem die Verwendung von Schmieröl für die Schmierung der Arbeitsflächen ausgeschlossen ist.

Konstruktionsmerkmale der Verdichtungsgeräte

Zu den konstruktiven Merkmalen eines Verdichters kann man folgende zählen:

  1. Antriebsart. Das kann sowohl ein Verbrennungsmotor als auch ein Elektromotor sein;
  2. Anzahl von Stufen für den Verdichtungsvorgang. Diese Charakteristik ist wichtig bei der Auswahl eines Kolbenverdichters, da sie eine Gasverdichtung nicht nur in einem Zylinder, sondern in mehreren sequenziell erfolgen lässt;
  3. Kühlungssystem (mit Öl, Luft, Wasser)
  4. Mobilität. Verdichter können entweder stationär - auf einem Spezialfundament - oder auch auf einem Anhänger für den vereinfachten Transport - aufgestellt werden;
  5. Anordnung der Baugruppen. Alle Bauteile eines Verdichtungsgerätes können sowohl auf dem Rahmen als auch auf dem Druckspeicher montiert werden;
  6. Aufstellung des Druckspeichers: vertikal oder horizontal;

Bei der Auswahl eines Verdichters soll auch eine Netzversorgung nicht aus der Berechnung ausgelassen werden, da z.B. nicht alle Autowerkstätte, die eine Reifenmontage durchführen, über eine Stromquelle mit der Spannung von 380 V verfügen. In einzelnen Fällen kann sogar eine Zufuhr der Spannung von 220 V kann instabil sein.

Die Auswahl eines Verdichters ist unmittelbar mit der vorläufigen Berechnung oben genannter Kennwerte verbunden. Vor der Berechnung der Kennwerten eines Verdichters wäre es nötig, einige Einzelheiten zu erwähnen. Die pro Zeiteinheit geförderte Luftmenge ist ein Konstantwert, der sich direkt nach Ausführungsbesonderheiten eines Verdichters richtet. Üblich ist aber, dass die Leistung von Volumen- und nicht Massenwerte bestimmt wird. Diese Tatsache führt immer wieder zu Verwirrungen bei Berechnungen und entsprechend auch zu den Fehlern in den schon gemachten Errechnungen.

Das ist dadurch bedingt, dass die Luft sich wie auch alle Gase einer Verdichtung unterziehen lässt. Deswegen ist eine und dieselbe Luftmenge fähig, unterschiedliche Volumen zu besetzen, was durch Druck- und Temperaturwerte bedingt ist. Die genaue Abhängigkeit zwischen diesen Werten erklärt sich durch eine komplizierte Potenzformel bzw. polytropische Zustandsgieichung erklärt. Ein Verdichtungsgerät befüllt einen Druckluftspeicher, in welchem der Druck immer zunimmt, wobei der Volumenstrom sinkt. Daraus erfolgt, dass das Fördervolumen des Verdichters ein variabler Wert ist. Welcher Wert wird dann in den Datenblättern für einen Verdichter angegeben?  

Gemäß GOST wird der Volumenstrom eines Verdichters anhand der Luftmenge am Austritt berechnet und umgerechnet auf physikalische Verhältnisse beim Verdichtungsvorgang. In der Regel sind die physikalischen Verhältnisse am Verdichtereintritt typisch für die normalen Betriebsbedingungen: die Temperatur beträgt 20 °С, der Druck - 1 Bar. Laut GOST wird auch eine Abweichung von Ist-Werten eines Verdichtungsgerätes auf ±5% von den in den Dattenblättern angegebenen Werten zugelassen.

Dabei wird auch eine Umrechnung technischer Daten der Druckluftabnehmer vorgenommen, damit die letzten auf Verdichtercharakteristiken des Verdichtungsgerätes abgestimmt werden. Wenn z.B. der Nennvolumenstrom eines Gerätes 100 l/Min. beträgt, heißt das, dass dieses Druckluftgerät bei einem Betriebsdruck pro eine Minute so eine Luftmenge verbraucht,  welche unter Normalbedingungen ein Volumen von 100 Liter besetzt hätte.

Weit nicht allen ausländischen Herstellern von Verdichtern sind russische Normen (GOSTs) bekannt, daher berechnen sie die Leistungskennwerte ihrer Geräte anders, was häufig zu den Fehlern führt. Die Angaben aus den Datenblätttern für ihre Verdichtungsgeräte enthalten die Kennwerte der rechnerischen bzw. theoretischen Leistung des Gerätes (Saugleistung).

Die theoretische Leistung eines Verdichtungsgerätes wird durch das geometrische Volumen bestimmt, welches seinen Hubraum pro eine Saugperiode befüllt. Danach wird dieses Volumen mit der Anzahl der Rerioden (Zyklen) pro Zeiteinheit multipliziert. Diese theoretische Leistung ist immer höher als die faktisch erbrachte Leistung eines Verdichtungsgerätes. Die Differenz zwischen theoretischer und tatsächlicher Leistung wird durch den Leistungskoeffizient (Кпр) ausgeglichen, welcher von den Saugbedingungen und konstruktiven Besonderheiten des Verdichters abhängt (Verluste in Ventilen: Saug- / Druckventile, Vorhandensein von nicht ausgeschobenem Restvolumen), die zu der sinkenden Zylinderfüllung beitragen (im Fall eines Kolbenverdichters). Der Leistungskoeffizient der Verdichter in einer Industrieausführung beträgt 0,6 bis 0,8.

Die Differenz bei den Berechnungen zwischen der theoretischen und faktisch erbrachten Leistung am Ein- und Austritt kann einen beträchtlichen Wert erlangen. Bei der Angabe der theoretischen Leistung im Datenblatt ist es empfehlenswert, diese Werte auf die Kennzahlen der Austrittsleistung umzurechnen, d.h., die Kennwerte der theoretischen Leistung um 30-40% zu verringern.

Auslegung des Verdichters

In der Spezifikation für einen Verdichter ist es erforderlich, den maximal zulässigen Betriebsdruck anzugeben. Diese Werte neben der maximal zulässigen Temperatur werden von den Herstellern der Verdichter dafür benötigt, um das Gehäuse und die Hauptteile des Verdichtungsgerätes so zu erzeugen, damit diese den maximal zulässigen Druck und die maximal zulässige Temperatur aushalten. Für die Turbo- und Axialverdichter wird der maximal zulässige Druck mittels eines Computers berechnet, durch das Addieren des maximalen Eintrittsdrucks zu dem maximalen Differenzdruck, welcher in einem Verdichter bei höchst komplizierter Bedingungskombination entstehen kann. Bei den Zylindern der Kolbenverdichter und den Gehäusen der Schraubenverdichter soll der maximal zulässige Druck um 10% oder 25 psi höher sein als der Nennförderdruck, je nachdem welcher Wert größer ist.

Die maximale Temperatur für die Turbo- und Axialverdichter soll einer maximalen Fördertemperatur gleich sein, wobei eine gewisse Toleranz einkalkuliert werden muss. Die maximal zulässige Temperatur für die Zylinder der Kolbenverdichter und die Gehäuse der Schraubenverdichter soll eine Fördertemperatur auf der Druckseite überschreiten.

Rohrleitungsflansche und Nenngrößen

Die Anschlussmaße der Flansche, die Nenngrößen der Flansche und ihre Art sind in der Spezifikation für alle Ein- und Austrittsöffnungen des Verdichters anzugeben. Es soll auch die Wellen- und Stangendichtung angegeben werden.

Schmiersystem und Schmieröl

Die unmittelbare Funktion dieser Systeme – vor allem eine ununterbrochene Zufuhr von sauberem Kühlschmiermittel zu den Lagern und Dichtungen eines Verdichters, sowie auch zu den Zahnradgetrieben und Antriebsvorrichtungen. Das ist ein wichtiges System für die Verdichter, deswegen ist die Berechnung dessen auch in der Spezifikation deutlich anzugeben.

Materialausführung

Kompressible Gase können die Auswahl eines Verdichters beeinflussen, es betrifft besonders die in Kontakt mit Betriebsmedium kommenden Teile. Da kann z.B. bei der Verdichtung von H2S eine Rissbildung in den Hartstoffen (Hartmaterialien) durch Schwefelwasserstoff auftreten. Die passenden Werkstoffe hierfür wären die Stoffe mit thermischer Behandlung nach Herstellung mit einer Druckfestigkeit (90000 psi.)

Verfahrensbedingte Verdichtungsstufen

Verdichterdruckverhältnis (R) – ein Verhältnis von dem Förderdruck (Р2) zu dem Saugdruck (Р1) im Verdichter, Р2/Р1. Wenn eine Verdichtung bis zum Hochdruck benötigt wird, werden bei der Berechnung eines Verdichters einige Verdichtungsstufen vorgesehen; in einigen Fällen werden zwischen den Stufen Wärmetauscher bzw. Kühler zur Abfuhr von bei dem Verdichtungsvorgang entstehender Wärme benötigt. Die zusätzlichen Verdichtungsstufen werden beispielsweise benötigt:

  • zur Temperatursenkung nach jeder Verdichtungsstufe, die eine Einsetzung von Zwischenkühlung bis zu annehmbarem Zustand anfordert, um den odrnungsgemäßen Betrieb des Verdichters zu gewährleisten;
  • zur Temperatursenkung am Eintritt der Verdichtungsstufe, um den Druck zu verringern, der zum Erreichen des vorgegeben Verdichtungsgrades benötigt wird;
  • zur Begrenzung des Differenzdrucks und Verdichtungsgrades bei diversen Verdichtertypen, z.B. Begrenzung der Axialbelastung bei den Turboverdichtern, der Grenzspannung der Kolbenstange bei den Kolbenverdichtern, der Axialbelastung bei den Schraubenverdichtern;
  • zur Verringerung der Leistungsaufnahme (des Antriebs) für den Verdichungsvorgang durch die Zwischenkühler und zur Aufrechterhaltung der Temperatur innerhalb eines betriebssicheren Bereichs.

Auswahl eines ein- oder mehrstufigen Verdichters

Die Auswahl einer geeigneten Anzahl der Verdichtungsstufen basiert in der Regel auf dem Verdichtungsverhältnis.

Dabei werden auch die Förderungstemperaturen und der Betriebsmodus berücksichtigt. Unten ist ein Beispiel für die Auswahl der Anzahl von Verdichtungsstufen darfestellt.

Wert R Anzahl der Stufen
1-3 einstufig
3-5 gewöhnlich einstufig, manchmal zweistufig
5-7 gewöhnlich zweistufig, manchmal einstufig
7-10 zweistufig
10-15 gewöhnlich zweistufig, manchmal dreistufig
15+ dreistufig

Ein Vergleich zwischen einem ein- und zweistufigen Verdichter, die für das gleiche Betriebsmedium unter den gleichen Bedingungen (die gleiche Leistung, das gleiche Gas, der gleich Druck) verwendet werden:

  einstufig zweistufig
Fördertemperatur höher niedriger
Ausgangskosten niedriger höher
Systemumfang kleiner größer

Wie bei allen Ingenieurlösungen, muss man einen Kompromiss zwischen den Ausgags-, Betriebs- und Wartungskosten finden.

1. Am Anfang ist eine Berechnung aller Luftabnehmer bzw. Luftverbraucher (Q, l/Min.) erforderlich. Zu diesem Zweck wird die Luftverbrauchsmenge an alle Luftverbraucher summiert. Dies erfolgt aufgrund der Kennwerte aus den Datenblättern und ergibt eine Kennzahl Q (l/Min.) - das vom Druckluftsystem verbrauchte Luftvolumen. Diese Kennzahl nähert sich einem Höchstwert, wenn eine hohe Anzahl von Luftabnehmer vorgesehen ist. Sie kann um den Belastungskoeffizient reduziert werden, da nicht immer alle Luftverbraucher gleichzeitig betrieben werden. Ob man ein Verfahren zum Ausgleich der Verringerung (welches den Luftvorrat im Pneumatiksystem sichern wird) verwenden möchte oder nicht  - ist eine persönliche Wahl jedes Besitzers bzw. Benutzers eines Verdichtungsgerätes.

2. Der nächste Berechnungswert - Leistung des Verdichters A (l/Min.).
Viele Berechnungsfehler liegen in unkorrekter Bestimmung des Wertes A und in falschem Verständnis von Leistung eines Verdichtungsgerätes. Alle Hersteller von Verdichtungsgeräten geben bei diesem Wert in ihren Datenblättern oder Katalogen den maximalen Luftverbrauch am Eintritt des Verdichters. Dieser Kennwert kann man nicht als die Leistung des Verdichters am Austritt verstehen bzw. verwenden, weil dieser Wert den Verdichtungsgrad und die konstruktive Merkmale eines Verdichters nicht berücksicht. Daher muss die Berechnung der Verdichterleistung folgendermaßen erfolgen:

A = Q · (β/η)

wo
Q - Gesamtluftvolumen für alle Verbraucher des Pneumatiksystems im Ganzen, gemessen in l/Min.;
β - der vom Hersteller hinterlegte Koeffizient zur Berücksichtigung der konstruktiven Besonderheiten seiner Verdichtungsgeräte;
η - Wirkungsgrad des Verdichters;
Werte β und η (zur Information) für den Betrieb des Verdichtungsgerätes im Bereich der Betriebsdrücken (welche im Druckluftsystem vorhanden sind, 6 bis 8 Bar) sind unten aufgeführt.

Konstruktionsausführung der Verdichtungsgeräte b h
Semiprofessionell 1,7 0,55
Professionell 1,5 0,65
Schwer belastbar 1,3 0,75
Rotationsverdichter 1 1

3. Nicht weniger wichtig bei der Auswahl eines Verdichtungsgerätes ist auch das Volumen des Druckluftspeichers V (l.). Bei der Auswahl der Behältergröße empfehlen die Verdichterhesteller diese im folgenden Bereich A vorzusehen:

V = (1/2 ÷ 1/8)·A

Die Auswahl eines geeigneten Druckluftspeichers und auch die Vergrößerung seines Volumens tragen zum Aus- und Abgleich von Druck bei, was seinerseits das Druckluftsystem flexibler hinsichtlich der Lastaufnahmen macht.

4. Bei der Auswahl eines Verdichters in Hinblick auf Druckwerte folgt man der Regel, dass der vom Verdichtungsgerät erzeugende Druck höher sein soll als der Betriebsdruck der Druckluftabnehmer. Jeder Verdichter pumpt die Luft bis zum maximalen Betriebsdruck Рmax. ein, dann abschaltet. Erneut wird der Verdichter erst bei einem Druckabfall Рmin. anlaufen. Die Differenz zwischen dem Höchst- und Mindestdruck eines Verdichtungsgerätes beträgt 2 Bar.

5. Des Weiteren ist es auch den Anwendungszweck eines Verdichters zu bestimmen: wie und zu welchen Zwecken das Gerät eingesetzt wird. Es ist wichtig, die Dauerbetriebslaufzeit, das Maximalvolumen der erforderlichen Druckluft, den Betriebsdruck und andere oben genannte Werte zu bestimmen.

Typ des Verdichters: dies ist der Wert, von dem alle vorher erwähnten Daten in vollem Maße abhängen. Die Ermittlung der Gesamtverbrauchsleistung lässt die Schlussfolgerungen ziehen. Wird z.B. ein Verdichtungsgerät für einen Farbenspritzer oder für ein anderes Druckluftwerkzeug mit einem niedrigen Betriebsdruck benötigt, so wäre in diesem Fall ein Verdichter vom Kolbentyp die beste Variante. Wenn es sich aber um die höheren Leistungen und einigen bzw. mehreren Luftverbraucher handelt, lohnt es sich die Gedanken über solche Verdichtungsmaschinen zu machen, wie Schrauben- oder Scrollverdichter. Die Entfernung, auf die das pneumatische Medium (=Druckluft) gefördert wird, muss man auch nicht außer Acht lassen.

6. Die Kennwerte eines Verdichters, besonders seine Leistungswerte, werden auch von solcher Faktoren wie die Lage über dem Meeresspiegel, Umgebungstemperatur und Umgebungsluftdruck beeinflusst. Je höher die Lage über dem Meeresspiegel, desto niedriger sind die Umgebungstemperatur- und Umgebungsluftdruckwerte. Bei dem Betrieb eines Verdichters unter diesen Bedingungen sollte man diese Einzelheiten in Kauf nehmen, da diese Bedingungen einen Einfluss auf die Leistungswerte eines Verdichters und den Nenndurchfluss von Druckluft ausüben. Wenn ein Verdichtungsgerät in einer großen Höhe betrieben wird, werden sich seine Leistungswerte am Austritt auf gewisse Weise von denen im Betriebspass angegebenen unterscheiden.

Es ist bekannt, dass die Luft sich auf der Höhe verdünnt, dies bewirkt die Verschlechterung der Abkühlung des Motors und seiner Bauteile, die einer Erwärmung unterliegen. Der Betrieb des Motors wird auf seinem Nennwert gehalten: maximale Höhe von 1000 m über dem Meeresspiegel und maximale Temperatur 40°С (siehe Tabelle unten, wo das Verhalten unterschiedlicher Motoren je nach Höhe und Temperatur aufgeführt ist). Einige Verdichtertypen werden mit Elektromotoren ausgestattet, für welche in großen Höhen die Leistungsverluste typisch sind. Dementsprechend wird die Leistungszufuhr an die Welle auch niedriger.

Motortyp: Leistungsminderung in % auf 1000 Meter Leistungsminderung in % pro jede 10 °С Temperaturzunahme
Atmosphärisch 12 3,6
Mit Aufladung 8 5,4

Algorythmus zur Hilfe bei der Auswahl eines Verdichtungsgerätes anhand der Leistungs- und Druckwerte. Auswahlschema

Der erforderliche Typ eines Verdichters kann anhand dieses Schemas (aufgrund möglichst allgemeiner Ausgangsdaten) ausgewählt bzw. berechnet werden.






Diese Tabelle veranschaulicht die Daten eines Verdichtungsgerätes je nach Typ:

Verdichtertypen: Maximale Kennwerte:
Kolben - Q = 2 bis 5 m3/Min.
РН = 0,3 bis 200 MN/m2 (Laboruntersuchungen zeigen 7000 MN/m2)
n = 60 bis 1000 UpM
NM = max. 5500 kW
Rotierend - Q = 0,5 bis 300 m3/Min.
РН = 0,3 bis 1,5 MN/m2
n = 300 bis 3000 UpM
N = max. 1100 kW
Turbo - Q = 10 bis 2000 m3/Min.
РН = 0,2 bis 1,2 MN/m2
n = 1500 bis 10000 (max. 30000) UpM
N = max. 4400 kW (für die Luftfahrt- -- 10 000 kW und höher)
Axial - Q = 100 bis 20000 m3/Min.
РН = 0,2 bis 0,6 MN/m2
n = 2500 bis 20000 UpM
N = max. 4400 kW (bei den Luftfahrt- erreicht max. 70000 kW)

Die Auswahl eines Verdichters beansprucht eine erhöhte Genauigkeit, da die Zeitsparnis an vorläufigen Berechnungen zum Auftreten grober Fehler führen kann, was dann den Einkauf eines nicht geeigneten Gerätes nach sich zieht, welches den gestellten Anforderungen nicht gerecht wird.

Auswahlbeispiel eines Kolbenverdichters

Kolbenverdichter – ist ein Verdränger-Verdichter. Zur Auswahl eines Verdichters benötigt man am Anfang die Hauptkennwerte, dazu gehören: Förderdruck, Sauggastemperatur, angeforderte Leistung (Volumenstrom), voraussichtlicher Betriebsmodus und Zusammensetzung des Gases. Dabei wird die Auswahl auch durch relative Feuchtigkeit des Wirkungsgrades, Kosten und Zuverlässigkeit bedingt. Verdichter für die unterschiedlichen Einsatzbereiche können ähnliche Hubvorgänge haben, so weisen z.B. die Verdichter mit einem großen Kolbenhub eine Tendenz auf, langsamer zu arbeiten als die Verdichter mit einem kurzen Kolbenhub. Die Verdichter mit kurzem Kolbenhub haben in der Regel auch eine leichtere Konstruktion mit niedrigeren zulässigen Belastungen.

Geschwindigkeit eines Verdichters und sein Gang stehen in einem Zusammenhang mit der Leistungsaufnahme. Die Anwendungsbereiche, wo eine niedrige Leistung genügt, verwenden leichte, Hochgeschwindigkeitsverdichter mit kurzem Hubgang. Wobei die Einsatzbereiche, wo höhere Leistungen erbracht werden müssen, benötigen die Hochleistungsverdichter mit niedriger Geschwindigkeit und längerem Kolbenhub. Wo es möglich ist, sind die großen Verdichter direkt an einem Triebwerk angeschlossen. Es folgt daraus, dass die Auswahl eines Verdichters auch die Geschwindigkeitsdaten eines Triebwerkes beeinflussen können.

Danach wird die Anzahl von Stufen bestimmt. Dabei treten die wichtigen Faktoren hinzu: zulässige Fördertemperatur, Liefergrad der Zylinder und der Wirkungsgrad. Wenn die errechnete Fördertemperatur bei der Nutzung nur einer Stufe zu hoch ist, werden eventuell mehr Stufen benötigt. Bei der vorläufigen Berechnung kann die isentropische Fördertemperatur verwendet werden, falls aber eine bestimmte Stufenanzahl zu den kritischen Situationen führen kann, soll die Fördertemperatur genauer errechnet werden. Bei einer Überschlagsberechnung lässt sich vermuten, dass alle Stufen einen gleichen Verdichtungsgrad haben. Es ist jedoch immer besser einen höheren Verdichtungsgrad für die Niederdruckstufen zu bevorzugen und (dadurch) die kritischeren Hochdruckstufen zu entlasten.

Fast in allen Anwendungsbereichen, wo eine mehrstufige Arbeit benötigt wird, werden die Zwischenkühler genutzt. In diesem Fall wird die Vermehrung der Stufenzahl den Wirkungsgrad des Verdichters steigern. Es ist damit verbunden, dass der Verdichtungsvorgang mit einer Zwischenkühlung beinahe einer isothermischen Verdichtung gleicht und weniger Leistung aufnimmt

Wenn das Betriebsmedium im Zwischenkühler kondensiert, ist eine Abscheidung von Flüssigkeit aus Gas erforderlich, dabei verringert sich die zu fördernde Verdichtungsgasmenge, was auch die Leistungsaufnahme sinken lässt. Allerdings, da die Anzahl von der Stufen größer wird, vergrößert sich entsprechend die Anzahl von Klappen, Übergangsrohrleitungen und Zwischenkühlern, durch die das Gas strömt. Bei Verwendung meherer Stufen werden die Druckverluste in durchströmten Armaturen (Klappen) und Rohrleitungen den Vorteil der Zwischenkühlung vermindern und, was auch zu Effizienzsenkung führen wird.

Der Preis für einen Verdichter steigt mit Erhöhung der Anzahl von Stufen, Notwendigkeit der Kühler, Klappen, Rohrleitungen, zusätzlichen Zylindern. 

Nach der Auswahl von Stufenanzahl werden die Zylinder pro jede Stufe bestimmt. Für die Berechnung der Zylinderbohrung braucht man die Angaben zu den Verhältnissen am Eintritt, der Leistung, Geschwindigkeit und Hublänge. Es ist wichtig, den Nenndruckwert (des Zylinders) korrekt zu bestimmen, um eine gefährdungsfreie Arbeit zu sichern. Dabei müssen noch Belastungen, Verluste und Aufnahmeleistung berücksichtigt werden.

Bei der Auswahl eines Kolbenverdichters muss auch die unbalancierte Kraft berücksichtigt werden, welche vom Verdichter an das Fundament übertragen wird, dazu kommen noch eventuelle Schwingungen, die zu Schaden an der Kurbelwelle und dem Antrieb führen können, Schallpegel. Nicht zuletzt optimiert man die Anordnung des Verdichters, den Wirkungsgrad und die Kosten.

Kompressoren und Luft- und Gasgebläse

Grundberechnungen und Auswahl der Ausrüstung