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Hauptkenngrößen eines Verdichters. Fördermenge und Leistung

Die Verdichter, wie die anderen komplizierten technischen Einrichtungen, weisen eine große Vielfalt von Kenngrößen auf, die in großen Bereichen variieren. Man kann doch manche Kenngrößen aussondern, die als Hauptdaten für die Ausrüstung gelten. Eben diese Daten bestimmen die Anwendungsgebiete eines bestimmten Verdichters. Auf der Basis dieser Daten wird die Kompressorausrüstung berechnet und für konkrete Aufgaben ausgewählt. Die anderen Kenngrößen sind die Nebengrößen und sind in meisten Fällen von den Hauptgrößen abhängig. Die Nebengrößen wirken auf die Konstruktion, den Betrieb und allgemeine Effizienz des Verdichters auch aus, aber im Vergleich zu den Hauptgrößen wirken sie in geringerem Maße aus.

Die Werte der Hauptkenngrößen bestimmen die Betriebsbedingungen eines Verdichters und die Druckgaswerte, die mit diesem Kompressor erreicht werden können. Mit einem geringen Parametersatz können die Einsatzgebiete eines Verdichters festgelegt werden, oder umgekehrt, eine genaue Palette von Einrichtungen für eine bestimmte Aufgabe zur Verfügung gestellt werden. Die Auswahl eines Kompressors kann sowohl nach einer Hauptkenngröße, als auch nach dem Parametersatz erfolgen, abhängig von den an den Kompressor gestellten Anforderungen.

Den Einsatz eines Verdichters bewirken folgende Kenngrößen:

  • Betriebsdruck;
  • Fördermenge;
  • Leistung





Andere technische Daten, wie Hauptabmessungen, Gewicht, Ausgangstemperatur des Gases, Geräuschpegel usw., können die Berechnung und die Auswahl eines Verdichters auch beeinflussen. Die Fördermenge und der Betriebsdruck sind doch die entscheidendsten  Größen bei der Auswahl des jeweiligen Verdichtertyps. Wenn beispielsweise erforderlich ist, die Luft mit einem hohen Druck aber in einer relativ kleinen Menge zu zuführen, dann passt für solche Verhältnisse  die Gruppe der Niederdruckkompressoren gar nicht, wie Zentrifugalkompressoren (Turboverdichter) oder Wasserringkompressoren. Einen gewünschten Betriebsdruck mit diesen Apparaten zu erreichen, ist entweder nicht möglich oder wirtschaftlich nicht rentabel. Die Hochdruckverdichter sind für diese Voraussetzungen besser passend. Der Verdichtertyp kann nach den unterschiedlichen Nebenkenngrößen und nach Ergebnissen der technischen und wirtschaftlichen Bewertung präzisiert werden. Die Kapitalaufwendungen für die Kolbenverdichter sind geringer, während die Schraubenkompressoren eine saubere Luft erzeugen können. Aber alle Kompressoren stimmen mit den Anforderungen an die Hauptkenngrößen überein.

Der Käufer verfügt in der Regel über die vollständigen Angaben nicht oder kann gar nicht verfügen, die er für die Auswähl des jeweiligen Verdichters braucht. Er kennt nur die Hauptforderungen, mit denen der Kompressor übereinstimmen soll: die Menge des zu zuführenden Gases und mit welchem Druck das Gas zu liefern ist, in wieweit die anzuschließende Leistung begrenzt werden kann. Anders gesagt, die entscheidenden Größen für die Auswahl eines Verdichters sind der Betriebsdruck, die Fördermenge und die Aufnahmeleistung. Natürlich können diesem Basissatz solche Daten beigefügt werden, wie Korrosionsbeständigkeit und chemische Beständigkeit der Bauteile, Geräuschpegel, gleichmäßige Zufuhr usw. Aufgrund dieser Angaben können einige Kompressoren angepasst und konstruiert werden, jeder wird im Stande sein, die gestellte Aufgabe zu erfüllen. Die Unterschiede werden nur die Kleinigkeiten betreffen, gemäß denen der optimal gültige  Verdichter ausgewählt werden kann. Als Kriterium für diese optimale Auswahl kann eine der Nebenkenngrößen dienen, beispielsweise die Größe der aufzunehmenden Elektroenergie (wenn der Verdichter mit einem elektrischen Motor ausgerüstet wird) oder die Wartungskosten der Ausrüstung.

Unabhängig davon, dass die oben aufgezählten Kenngrößen zu den Hauptgrößen gehören, gibt es eine Reihe von die Auswahl der Verdichter bewirkenden Parametern. Eine wesentliche Rolle spielt dabei eine chemische und physikalische Gaszusammensetzung, weil von der Fähigkeit des Verdichters solche Medien zu pumpen, nicht nur die Effizienz der Ausrüstung abhängig ist, sondern auch seine Betriebsfähigkeit. Der Austausch der Ausrüstungsteile gegen die Teile aus einem chemisch beständigen oder verschleißfesten Werkstoff kann den Preis für den gesamten Verdichter auf das Mehrfache vergrößern. In anderen Fällen sind die Anforderungen sehr wichtig, die an das verdichtete Gas am Kompressorausgang, an die Reinheit des Gases, gleichmäßige Zufuhr und die Temperatur gestellt werden, nicht nur an die Fördermenge und den Druck. In der Lebensmittelindustrie werden beispielsweise erhöhte Forderungen an die Medien und Werkstoffe gestellt. In diesem Zusammenhang darf die Schraubenschmierung für einen Schraubenverdichter prinzipiell nicht eingesetzt werden, weil der Schmierstoff in den Gasstrom gelangen kann. Die Werte anderer Kenngrößen werden dabei keinen entscheidenden Beitrag zur Einsatzfähigkeit leisten. Der Unterschied der Nebenkenngrößen von den Hauptkenngrößen besteht darin, dass deren Auswirkung von Fall zu Fall nicht immer gleich ist, indem der Betriebsdruck, die Fördermenge und die Leistung immer al wichtige Kriterien gelten.

Betriebsdruck eines Verdichters

Diese Kenngröße kann als eine Hauptgröße bezeichnet werden, da sie eine hauptsächliche Funktion des Kompressors widerspiegelt, das Gas zu komprimieren, wodurch der Druck erhöht werden kann. Der vom Verdichter erzeugte Druck wird in Pa, bar oder atm gemessen, kann auch in mm / Wassersäule, kgf/cm2 oder PSI angezeigt werden. Besonders verbreitet sind die Druckeinheiten Pa und bar, die in folgendem Zusammenhang stehen: 1 bar = 0,1 MPa. Der Betriebsdruck wird in den Überdruck (PÜ) und in den absoluten Druck (Pabs) unterteilt. Diese Druckwerte unterscheiden sich um die Größe des Luftdruckes (Patm) und sind durch das Verhältnis РÜ = Рabs – Рatm miteinander verbunden.

Bei der Auswahl eines Kompressors ist zu berücksichtigen, dass der vom Kompressor zu erzeugende Druck auf dem Weg zum Arbeitswerkzeug oder Apparat allmählich verringert wird. Der Druck kann innerhalb von der gesamten Gasleitung oder in den sogenannten  Widerstandspunkten, wie Ventile, Gasleitungsbögen, Schieber usw. abfallen. Der Betriebsdruck des Kompressors soll alle Druckverluste auf dem Weg zum Verbraucher begleichen und am Ausgang mit den geforderten Parametern übereinstimmen.

In manchen Fällen gehören die Verhältnisse bei der Druckgaszuführung zu einer wichtigen Voraussetzung. Die Kolbenverdichter erzeugen beispielsweise einen pulsierenden Druckgasstrom, bedingt durch ihre Konstruktion, indem die Verdichtung des Mediums in den Schraubenverdichtern stufenlos, ohne Pulsationen erfolgt. Beim Auftrag der Lacke und Farben ist eine gleichmäßige Zuführung ein wichtiger Faktor für einen korrekten Betrieb. Die Druckpulsationen des Verdichters kann man mit unterschiedlichen Verfahren verringern.   Da die Kolbenverdichter mehrere Arbeitskammern aufweisen können, deren Betriebszyklen gegeneinander zeitlich verschoben werden, kann die teilweise Glättung des gesamten Stromes erreicht werden. Oft kommen die Receiver zum Einsatz, die Druckbehälter, in denen das aus dem Verdichter kommende Druckgas gesammelt wird, wodurch die Pulsationen des Gasstromes fast völlig ausgeschlossen werden können.






Abhängig von dem zu erzeugenden Druck werden die Verdichter folgendermaßen unterteilt:

  • Vakuum-Kompressoren (Unterdruck beträgt über 0,05 MPa);
  • Niederdruckverdichter (von 0,15 bis 1,2 MPa);
  • Mitteldruckverdichter (von 1,2 bis 10 MPa);
  • Hochdruckverdichter (von 10 bis 100 MPa);
  • Überdruckverdichter (über 100 MPa).

Fördermenge des Verdichters

Unter der Fördermenge eines Verdichters versteht man die Gasmenge, die pro eine Zeiteinheit erzeugt wird. Die Fördermenge wird in m3/min., l/min., m3/h usw. gemessen. Die Fördermenge eines Verdichters kann für die Ansaugseite und für die Förderseite angegeben werden, die nicht gleich sind, weil das Gas während der Komprimierung sein Volumen verändert. Für die Fördermenge auf der Ansaugseite werden standardmäßige Bedingungen angenommen, d.h. bei der Luftdruck und einer Temperatur von 20 °C. Die Fördermenge ist hierbei definiert als das abgegebene Luftvolumen je Zeiteinheit. Die Fördermenge wird zumeist in m3/min. angegeben, je nach dem Einsatz des Verdichters. Die Umrechnung der GasFördermenge im Einlauf zu der Fördermenge im Auslauf erfolgt mittels spezieller Formeln. Die Umrechnung kann notwendig sein, wenn das Gas andere Temperatur aufweist.

Abhängig von der Fördermenge werden die Kompressoren folgendermaßen unterteilt:

  • die Verdichter mit einer hohen Fördermenge (über 100 m3/min.);
  • die Verdichter mit einer mittleren Fördermenge (von 10 bis 100 m3/min.);
  • die Verdichter mit einer niedrigen Fördermenge (bis 10 m3/min.).

Fördermenge eines Kolbenverdichters

Die Fördermenge eines bestimmten Verdichters hängt vorzugsweise von seiner Geometrie und seinem Typ ab. Besonders einfach und anschaulich ist in diesem Fall der Kolbenverdichter, weil die Größe seiner Arbeitskammer die Fördermenge direkt bewirkt. Man kann die Fördermenge als das Volumen der Arbeitskamer bezeichnen, jeweils multipliziert mit Zyklenzahl des Kolbenhubs pro Zeiteinheit. Bezogen auf die geometrischen Parameter der Kolbenbauteile wird die Fördermenge als Zylinderquerschnittsfläche (F), multipliziert mit dem Kolbenhub (S) und der Wellendrehzahl (n) bezeichnet. Das ist in einem Idealfall möglich. In der Wirklichkeit wird das Gas aus der Arbeitskammer nicht komplett verdrängt, bedingt durch die Konstruktion der Ventile und des Kolbens. Teilweise bleibt das Gas drin und bildet den sogenannten Totraum. Das wird mit Absicht gemacht, um die Kolbenkollision mit der Stirnseite der Kammer zu vermeiden, was zu einem schnellen Ausfall des Verdichters bringen könnte.

Wenn wir das vom Kolben eingenommene Volumen als VK bezeichnen, dann kommt das Totvolumen als VT=V-VK zum Ausdruck, wobei V das Volumen der Arbeitskammer ist. Für die Erfassung des Totraumes wird der entsprechende Faktor ε=(V-VK)/VK verwendet. Das Totvolumen kann auch nach der Formel VT=ε∙VK ermittelt werden.

Das Gas, das den Totraum einfüllt, bewirkt das Ansaugen einer neuen Gasmenge. Der Ansaugvorgang beginnt nicht, solange das Restgas bis zu einer bestimmten Größe nicht entspannt wird. Der Kolben macht irgendwelche Bewegungen und das Gas wird nicht komplett angesaugt im Vergleich zu einem Idealfall. Um das zu berücksichtigen, spricht man von einem Wirkungsgrad, der nach folgender Formel ermittelt wird: λV=Vt/VK, wobei Vt das tatsächlich angesaugte Gasvolumen ist. Der Faktor kann folgendermaßen ermittelt werden:

ΛV = 1 - ε∙((p2/p1)1/m - 1)

wobei
λV – ein volumetrischer Wirkungsgrad ist;
ε – ist der Faktor des Totraumes;
p1 – ist der Eingangsdruck, Pa;
p2 – ist der Ausgangsdruck, Pa;
m – ist die Verdichtungspolytrope.

Auf solche Weise wird die Fördermenge eines einfachen Kolbenverdichters nach folgender Formel ermittelt:

VK = λV∙F∙S∙n

Wenn ein doppeltwirkender Kolben eingesetzt wird, dann darf die Fördermenge als eine Verdopplung der Fördermenge einer Arbeitskammer nicht berechnet werden. Eine Arbeitskammer wird mit der Kolbenstange teilweise besetzt und wird eine kleinere Fördermenge  im Vergleich zu der freien Arbeitskammer (ohne Kolbenstange) auf. Die Berechnungsformel sieht wie folgt aus:

VK2 = λV∙(2∙F - f)∙S∙n

wobei
VK2 – die Fördermenge eines doppeltwirkenden Kolbens eines Kolbenverdichters ist;
f – ist die Querschnittsfläche der Kolbenstange.






Fördermenge von Schraubenkompressoren

Die Fördermenge eines solchen Kompressors kann als Summenvolumenstrom der Kammern bezeichnet werden, der durch Schrauben und Gehäuse begrenzt wird und zum Auslauf des Kompressors pro Zeiteinheit ausgedrückt wird. In einem Idealfall, wenn keine Verluste und Leckagen zu Stande kommen, kann eine theoretische Fördermenge eines Schraubenkompressors (mit zwei Schrauben) nach folgender Formel ermittelt werden:

Qt = l∙m1∙n1∙f1 + l∙m2∙n2∙f2

wobei
Qt die theoretische Fördermenge des Schraubenkompressors in m3/s ist;
l ist die Schraubenlänge, m;
m1 ist die Gangzahl des Hauptrotors;
n1 ist die Drehzahl des Hauptrotors, s-1;
f1 ist die Lückenraumfläche des Hauptrotors, m2;
m2  ist die Gangzahl des Nebenrotors;
n2 ist die Drehzahl des Nebenrotors, s-1;
f2  ist die Lückenraumfläche des Nebenrotors, m2.

Unter Betracht, dass in der Regel die Gleichung m1∙n1 = m2∙n2 = m∙n  erfüllt wird, kann die Formel zur Berechnung der Fördermenge eines Schraubenverdichters folgendermaßen aussehen:

Qt = l∙m∙n∙(f1+f2)

Der tatsächliche Volumenstrom ist kleiner, als der theoretische Volumenstrom, was auch normal ist. Das ist durch die Fließströmungen im Inneren des Verdichters und die Gasleckagen über die Dichtungen nach Außen bedingt. Mathematisch wird es von einem Liefergrad berücksichtigt, also die theoretische Fördermenge wird wie folgt ermittelt:

Qt = Qt∙ηl – Ql

Qt ist tatsächliche Fördermenge;
Ql ist die Leckage über die Dichtungen;
ηl ist der Liefergrad.

Fördermenge eines Turboverdichters

Die Förderung des Mediums erfolgt in einem Turboverdichter genauso wie in einer Schleuderpumpe. Der Unterschied besteht darin, dass das zu komprimierende Gas an Volumen verliert, wodurch seine Dichte vergrößert wird. Die Fördermenge solcher Kompressoren wird auf der Ansaugseite bei den normalen Bedingungen berechnet, was auch für den Betrieb einsatzfreundlich ist. Der Anfangswert für die Fördermenge wird vorläufig vor der Berechnung vorgegeben, wie auch der Enddruck. Danach wird der Geometrieunterschied von Laufradelementen berechnet. Die Formel, in der die Fördermenge des Turboverdichters mit den Querschnittsabmessungen des Laufrads an der Ansaugseite verbunden ist, sieht beispielsweise wie folgt aus:

Q = (π/4)·vE·(d²2-d²1),

wobei
Q die Fördermenge des Turboverdichters ist, m³/s;
vE ist die Gasstromgeschwindigkeit am Einlauf in das Laufrad, m/s;
d1 ist der Außendurchmesser der Radaufnahme, m;
d2 ist der Minimaldurchmesser der Deckscheibe, m.






Leistung eines Verdichters

Die Leistung bezeichnet im Allgemeinen als physikalische Größe die in einer Zeitspanne umgesetzte Energie ;bezogen auf diese Zeitspanne. In Bezug auf einen Verdichter bedeutet das die mit der Verdichtungsarbeit multiplizierte GasFördermenge. Solche Leistung wird als eine theoretische Leistung bezeichnet und wird nach folgender Formel ermittelt:

Nt = (Q∙ρ∙A)/1000,

wobei
Nt die theoretische Leistung in KW ist;
Q ist die Fördermenge, m3/min.;
ρ ist die Gasdichte, kg/m3;
A ist die theoretische Verdichtungsarbeit, J/kg.

Es ist zu betonen, dass eine theoretische Leistung mit der Anschlussleistung des Kompressors und mit der Motorleistung (des zum Verdichter angeschlossenen Motors) nicht zusammenfällt. Das ist mit einem Leistungsverlust verbunden, was durch einen Wirkungsgrad dargestellt wird. Die im Verdichter erfolgte Komprimierung weist ihren eigenen Wirkungsgrad (abhängig vom Vorgangstyp) auf. Die Anschlussleistung geht bei der mechanischen Energieübertragung teilweise verloren.






Leistung eines Kolbenverdichters

Die Leistungsberechnung erfolgt hoch genau für die Kolbenverdichter, die das Gas mit einem maximalen Druck von 10 MPa verdichten. Die Berechnung wird nach den Formeln durchgeführt, vorausgesetzt, dass das Gas als Idealgas betrachtet wird. Für die Kompressoren mit einem maximalen Druck über 10 MPa kann es bei den Berechnungen zu den Abweichungen kommen, weil das zu fördernde Gas kein Idealgas ist. Die Abweichung des Verhaltens eines realen Gases vom Idealgas besteht dadurch, dass die Idealgasmolekülen miteinander nicht zusammenwirken, während die Molekülen des realen Gases in einer Wechselwirkung stehen, was bei einem hohen Druck das Gasverhalten beeinflussen kann. Die Berechnungsformel der theoretischen Leistung kann folgendermaßen aussehen:

Nt = (Q∙ρ∙(i2-i1)) / 1000,

wobei
Nt die theoretische Leistung in KW ist;
Q ist die Fördermenge des Kompressors, m3/s;
ρ ist die Gasdichte, kg/m3;
i1 ist die Gasenthalpie vor der Verdichtung, J/kg;
i2 ist die Gasenthalpie nach der Verdichtung, J/kg.






Die obige Formel ist für den einstufigen Verdichter geeignet. Wenn die Verdichtung in mehreren Stufen erfolgt, dann ist die Enthalpiedifferenz (i2-i1) in der Formel durch eine gesamte Enthalpiedifferenz zu ersetzen, summiert aus allen Stufen. Wenn die Verdichtungsarbeit in jeder Stufe gleich ist, sieht die Gleichung wie folgt aus:

Nt = (Q∙ρ∙n∙(i2-i1)) / 1000,

wobei
n die Stufenzahl ist;
i1, i2 ist die Anfangs- und End-Gasenthalpie der ersten Stufe, J/kg.

Am Beispiel des Bildes kann man die Leistungen so definieren: Leistung der ersten Stufe ist N1=(Q∙ρ∙n∙(i2-i1))/1000, der zweiten Stufe sieht die Leistung so N2=(Q∙ρ∙n∙(i3-i2))/1000 aus und der dritten Stufe - N3=(Q∙ρ∙n∙(i4-i3))/1000. Vorausgesetzt, dass die Gasenthalpie in jeder Stufe gleich ist, bedeutet das (i2-i1)=(i3-i2)=(i4-i3). Nach der gesamten Stufenzahl (n=3) erhalten wir:

Ng = N1 + N2 + N3 = (Q∙ρ∙n∙(i2-i1))/1000 + (Q∙ρ∙n∙(i3-i2))/1000 + (Q∙ρ∙n∙(i4-i3))/1000 = 3∙(Q∙ρ∙(i2-i1))/1000

Leistung eines Schraubenverdichters

In einem Schraubenverdichter geht immer die Leistung verloren. Da die hergestellten Schrauben bezüglich Form und Abmessungen nicht ideal sind, läuft das Gas aus einem Raum in den anderen Raum zurück, d.h. von der Druckseite zur Saugseite, wodurch die Innenverluste bedingt sind. Der Energiegehalt des Gases wird durch die Reibung an Rotoren  und Gehäusewandungen, bei den Schlägen usw. auch verringert. Dadurch wird die für die Verdichtung des Gases vom Kompressor verbrauchte Leistung größer als die theoretische Leistung, die zum Komprimieren des Gases unter den Idealbedingungen benötigt wird. Solche Leistung heißt eine indizierte Leistung und kann nach folgender Formel ermittelt werden:

Ni = (k∙Q)/1000 ∙ [pS∙(εm-1-m)/(1-m) + pD∙(1/ε)],

wobei
i  die Verdichterleistung (indizierte Leistung) in KW ist;
k ist der Korrekturkoeffizient (von 1,05 bis 1,18, abhängig von der Größe eines Verdichters);
Q ist die Fördermenge im Einlauf, m3/s;
pS ist der Saugdruck, Pa;
pD ist der Druck an der Druckseite, Pa;
ε ist der Verdichtungsgrad (Geometriewert);
m ist ein polytropischer Koeffizient.






Im Übrigen stimmt die Berechnung der gesamten Kompressorleistung, die aus der direkten Verdichter-, Motor- und Stufenleistung besteht, mit den Leistungsberechnungen für andere Verdichtertypen überein. Die direkte Kompressorleistung wird im Vergleich zu einer indizierten Leistung um die Größe der mechanischen Verluste vergrößert, die sich während des Kompressorbetriebes ergeben. Ein Teil der Leistung geht während der Übersetzung verloren, teilweise im Motor selbst.  Diese Verluste werden von einem Wirkungsgrad berücksichtigt.

Leistung eines Turboverdichters

Das durch den Turboverdichter zu fördernde Gas verliert ein Teil seiner Energie durch hydraulische Verluste. Die Größe dieser Verluste wird von einem hydraulischen Wirkungsgrad (ηh) dargestellt, der eine theoretische für die Gasverdichtung unter den Idealbedingungen benötigte Leistung (Nt) mit der indizierten Leistung (Ni) verbindet:

Ni = Nth

Der reale Volumenstrom des Gases unterscheidet sich von seinem theoretischen Volumenstrom durch die unvermeidlichen Gasleckagen aus dem Arbeitsraum. Das führt auch zu den zusätzlichen Leistungsverlusten, die vom Volumenwirkungsgrad (ηv) berücksichtigt werden. Eine Nutzleistung (NN),  die dem Laufrad zum Gasverdichten zu übertragen ist, ist gleich

NN = NiV

Eine Nutzleistung kann auch ausgehend von den gemessenen realen Kompressordaten nach folgender Formel ermittelt werden:

NN = Vr∙Hr∙p

wobei
NN die Nutzleistung in W ist;
Vr ist ein realer Volumenstrom, m3/s;
Hr ist die reale Förderhöhe, m;
p ist der Druckmittelwert vor und nach der Verdichtung, der in der Regel als Mittelwert für die Berechnung eingesetzt wird, Pa.

Eine gesamte der Welle zu übertragende Kompressorleistung heißt eine Wellenleistung und kann aus der indizierten Leistung unter Berücksichtigung von mechanischen Verlusten im Verdichter wie folgt ermittelt werden:

NW = Nim,

wobei
NW die Wellenleistung ist, W;
ηm ist ein mechanischer Wirkungsgrad.

Unter Berücksichtigung von allen Verlusten kann ein gesamter Wirkungsgrad (ηg) eines Turboverdichters mit folgender Gleichung dargestellt werden:

Ηg = ηh∙ηV∙ηm.

Kompressoren und Luft- und Gasgebläse

Grundberechnungen und Auswahl der Ausrüstung