Ein Seminar aus dem Impuls-Programm RAVEL NRW. Druckluft. Störungsfreie, kostengünstige. Teilnehmerunterlage

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1 Ein Seminar aus dem Impuls-Programm RAVEL NRW Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung Teilnehmerunterlage

2 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereit stellung Teilnehmerunterlage aus dem Impuls-Programm RAVEL NRW der Energieagentur NRW Herausgeber: Energieagentur NRW REN Impuls-Programm RAVEL NRW Kasinostraße Wuppertal

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4 Impuls-Programm RAVEL NRW Vorwort Sehr geehrte Teilnehmerin, sehr geehrter Teilnehmer, wir freuen uns über Ihr Interesse an dem von der Energieagentur NRW im Rahmen des REN Impuls-Programms RAVEL NRW konzipierten Kurs und begrüßen Sie in dieser Veranstaltung. 5 Das REN Impuls-Programm ist eine vom Ministerium für Verkehr, Energie und Landesplanung des Landes Nordrhein-Westfalen initiierte Qualifizierungsoffensive. REN steht für Rationelle Energieverwendung und Nutzung unerschöpflicher Energiequellen und RAVEL NRW für Rationelle Verwendung von elektrischer Energie in Nordrhein-Westfalen. RAVEL NRW will durch ein breitgefächertes und interessant aufbereitetes Kursangebot den Wissenstransfer über intelligenten Strom ein satz zu Planern, Entscheidern und Nutzern beschleunigen, um Impulse für die Wirtschaft, die Beschäftigung und die Umwelt zu geben. Fachleute haben im Auftrag der Energieagentur NRW die vorliegende Kursunterlage entwickelt. Sie ist als Teilnehmerunterlage gedacht, in der die wichtigsten Informationen des Kurses zusammengefasst sind. Die Unterlage ist nicht als selbsterklärendes Buch zu verstehen. Viele Informationen erschließen sich erst im Zusammenhang mit dem Kurs besuch. Wir wünschen Ihnen einen interessanten Kursverlauf und viel Erfolg bei der Umsetzung in Ihre Praxis. Ihre Energieagentur NRW

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6 Impuls-Programm RAVEL NRW Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen Druckluft: Eigenschaften, Anforderungen und Einsatzbereiche Begriffe, Maßeinheiten, Definitionen Physikalische Eigenschaften, Grundgesetze der Thermodynamik Einflussgrößen auf den Verdichtungsvorgang, Zustandsänderung Kenngrößen des Verdichtungsprozesses 23 2 Drucklufterzeugung und -aufbereitung Verdichterbauarten: Gegenüberstellung und Einsatzbereiche Merkmal Funktionsprinzip: Turbo- und Verdrängermaschinen Merkmal Druckbereich und Liefermenge Merkmal Schmierung: ölgeschmiert, ölfrei, öl- oder wassereingespritzt, trockenlaufend Merkmal Kühlung: luft-, wassergekühlt; mit/ohne Innenkühlung Leistungsdefinitionen und Normen für Verdichter Regelungsvarianten für Verdichter Zweipunktregelung: Aussetz-, Nachlauf-, Automatikbetrieb Stetige Regelung: Drossel-, Schieber-, Drehzahlregelung Drucklufttrockner Methoden der Drucklufttrocknung 45

7 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung Bewertungskriterien der unterschiedlichen Systeme aus energetischer und wirtschaftlicher Sicht Wirtschaftliche und umweltfreundliche Kondensatentsorgung Definitionen und Normen für Drucklufttrockner Energieeinspar- und Kostenreduzierungspotentiale bei Druckluftanlagen Einflussfaktoren auf den Gesamtwirkungsgrad Bestandsaufnahme bei der Planung von Druckluftanlagen Ermittlung der Randbedingungen Ermittlung des Druckluftbedarfs und der Verbrauchsstruktur Ermittlung der spezifischen Leistungsaufnahme bestehender Verdichter Einflussgrößen auf den Energieverbrauch bei der Drucklufterzeugung Auswahl und Installation neuer Verdichter Auswahlkriterien für die Verdichterart und -größe Angebotsvergleich und -bewertung Leistungsmessungen Druckluftspeicherung und -verteilung Druckluftspeicher, Dimensionierung Auslegung nach Schalthäufigkeit Auslegung auf Verbrauch und Auslastung für mehrere Verdichter im Last/Leerlaufbetrieb Auslegung bei intermittierendem Verbrauch (Lastspitzen) Druckluftleitungsnetz: Dimensionierung und Optimierung Druckverluste 81

8 Impuls-Programm RAVEL NRW Leitungsdimensionierung Leckagen Gesamtkonzept Zentrale/dezentrale Drucklufterzeugung Übergeordnete Steuerung von Mehrverdichteranlagen Wärmerückgewinnung (Bewertung des Potentials, Wirtschaftlichkeitsberechnung) Contracting 98 Anhang A Die Energieagentur NRW hilft weiter 101 Anhang B Checkliste für Einsparpotientiale 102 Literatur 103 Impressum 104

9 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung 1 Grundlagen 1.1 Druckluft: Eigenschaften, Anforderungen und Einsatzbereiche Eigenschaften 10 Druckluft ist ein Energieträger in Gasform, der es ermöglicht, Energie über eine gewisse Entfernung zu leiten und am Ende bei ihrer Entspannung unter Ausnutzung des Druck- und Wärmegefälles Arbeit zu leisten. Der Vorteil: Luft ist in unbegrenztem Maße kostenlos jedermann zugänglich und als Energie träger ungefährlich. Undichte und schadhafte Installationen verschlechtern die Wirtschaftlich keit, aber nicht die Sicherheit. Luft ist kompressibel und kann in Behältern gespeichert werden. Die Kompressibilität ergibt auch eine kurzzeitige Überlastsicherheit. Der Transport über größere Distanzen verursacht bei guter Anlagenausführung wenig Verluste und benötigt keine Rückführung zur Erzeugerquelle. Druckluft ist aber kein billiger Energieträger, denn die Verdichterarbeit endet als Wärme und ist ohne Sekundärmaßnahmen (Wärmerückgewinnung oder Wärmeausnutzung) verloren. Da Druck - luft ein recht flüchtiges Medium ist, mindern kleinste Leckverluste zusätzlich die Wirtschaft lichkeit. Anforderungen Je nach Einsatz werden an die Druckluft unterschiedliche Anforderungen bezüglich der Qualität gestellt. Um einheitliche Definitionen zu erhalten, sind in der DIN ISO 8573 Güteklassen für die Kriterien Partikel, Wasser (bzw. Feuchtegehalt) und Ölgehalt definiert. Die Tabellen 1 und 2 zeigen die verschiedenen Güteklassen sowie einige Anwendungsbeispiele.

10 Impuls-Programm RAVEL NRW Partikelgröße und -konzentration Restölgehalt Drucktaupunkt Eine häufige Anwendung ist die Zerstäubung mittels Druckluft, insbesondere in der Farbspritzerei. Eine Anwendung, die sehr viel Luft verbraucht, ist das Zerstäuben von Wasser in Befeuchtungs- Güteklasse Partikelgröße Konzentration Ölgehalt in Drucktaupunkt in Mikrometer in mg/m 3 mg/m 3 in C 1 0,1 0,1 0, , Tab. 1: Druckluft - Güteklassen Anwendungsbeispiele Güteklassen (1-6) Partikel Wasser Restöl Allg. Werksluft Förderluft (pulverige Stoffe) Förderung von Lebensmitteln Tab. 2: Anwendungs - beispiele für die Druckluft - Güteklassen Gießerei-/Schweißmaschinen Geräte für Verfahrenssteuerung Krankenhäuser Einsatzbereiche, Anwendungen Reinigung: Ein großer Teil der Druckluft wird zu Reinigungszwecken verwendet (z.b. zum Aus- und Abblasen von Werkstücken). Dabei wird übersehen, dass erstens damit die Reinigungs kosten (= Energiekosten) nicht gering sind und zweitens der Schmutz nicht wegbefördert, sondern nur verlagert wird. Daher sollte, wo immer möglich, darauf verzichtet werden. Zerstäubung:

11 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung anlagen. Von Vorteil beim Zerstäuben mit Druckluft ist die gute Regulierungsmöglichkeit des Strahles. Lineare Bewegung: 12 In der Automation von Abläufen werden Linearbewegungen mit pneumatischen Zylindern ausgeführt. Hier ist die Druckluft ein für den Bewegungsablauf idealer Energieträger. Ihre Kompressibilität erlaubt eine gute Regulierung der Kräfte; sie bietet Sicherheit gegen Überlast, ist ungefährlicher als Elektrizität, ist explosionssicher und benötigt im Gegensatz zur Hydraulik keine Rückleitung. Im Vergleich zu elektrischen oder hydraulischen Anwendungen wird für die gleiche Kraft bzw. Leistung jedoch die 10-fache Energie benötigt. Drehbewegung: Ähnliches wie für die Linearbewegung gilt auch für die Drehbewegung. Hier wird die Druckluft vor allem für Schleifer, Bohrer, Luftturbinen, Schrauber etc. eingesetzt. Mehr als bei der Linearbewegung steht hier die Anwendung in Konkurrenz zum elektrischen Antrieb. Die Druckluftwerkzeuge sind aber bei der Handhabung leichter im Gewicht und unfallsicherer. Wo diese beiden Kriterien nicht primär sind, ist der Einsatz von elektrischen Antrieben energetisch sinnvoller. Kühlung: Der Einsatz von Druckluft zu Kühlzwecken ist energetisch sehr ungünstig, da Luft nur sehr wenig Wärme aufnehmen kann. Es muss also sehr viel Luft zugeführt werden, um einen genügenden Kühleffekt zu erzielen. Der Vorteil der einfachen Handhabung gegenüber Kühlflüssigkeiten wird über den Energieverbrauch sehr teuer bezahlt. Steuerung: Druckluft als Steuermedium hat überall dort Eingang gefunden, wo die Elektrik oder Elektronik zu wenig betriebssicher oder aus Explosionsschutzgründen nicht anwendbar ist. Da der Verbrauch bei dieser Anwendung relativ gering ist, fällt der Mehraufwand an Energie gegenüber der elektrischen Lösung nicht so sehr ins Gewicht.

12 Impuls-Programm RAVEL NRW 1.2 Begriffe, Maßeinheiten, Definitionen Druck Allgemein gilt: Kraft F Druck = p = Fläche A 13 1 Newton 1 Pascal = 1 N 1 Pa = 1 m 2 1 m 2 Volumen Für geschlossene Systeme ohne Zu- oder Abströmung (z.b. abgesperrter Druckbehälter) gilt mit Bezug auf den Gasinhalt allgemein: Masse = Volumen Dichte ist konstant m = V ρ kg = m 3 m 3 kg Für offene Systeme gilt analog: Massenstrom = Volumenstrom Dichte ist konstant kg m 3 kg m = V ρ = s s m 3 Dem entsprechend kann bei Verdichtern der Volumenstrom auf unterschiedliche Bedingungen bezogen werden gemäß m =V 1 ρ 1 = V 2 ρ 2 Einheiten 1 bar = Pa = 10 5 Pa 1 bar = mm WS (Wassersäule) 1 bar = 14,514 psi (engl. Einheit: pound per square inch)

13 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung Sofern kein besonderer Hinweis erfolgt, ist der effektive (Über-) Druck gemeint. Wo es nicht eindeutig klar ist, ob es sich um einen Überdruck oder um absoluten Druck handelt, wird sinnvollerweise die entsprechende Zusatzbezeichnung verwendet. bar (a) = absoluter Druck 14 bar (ü) = Überdruck, dies ist der über der Atmo - sphäre liegende, in der Technik nutzbare Druck (Manometerdruck) bar (u) = Unterdruck Normzustand Der Normzustand ist definiert als Druck p N = 1.013,25 mbar (a) Temperatur t N = 0 C Feuchte = 0% rf (trocken) Temperatur t T [ C] [K] Obwohl die Temperatur in Grad Celsius ( C) gemessen wird, ist bei Druckluftberechnungen die absolute Temperatur in Kelvin (K) einzusetzen. Allgemein gilt: T = t + 273,15 Relative Feuchte rf [%] Die relative Luftfeuchtigkeit ist die in der Luft enthaltene Feuchtigkeitsmenge im Verhältnis zur der maximalen Menge, die die Luft bei einer bestimmten Temperatur in dampfförmigem Zustand aufnehmen kann (Sättigungsgrad).

14 Impuls-Programm RAVEL NRW Taupunkttemperatur t (TP) [ C] Der Taupunkt ist die Temperatur, bei der die Luft zu 100% mit Wasserdampf gesättigt ist bzw. diejenige Temperatur, bis zu der die atmosphärische Luft abgekühlt werden kann, ohne dass die in ihr enthaltene Feuchtigkeit auskondensiert. Drucktaupunkttemperatur t (DTP) [ C] 15 Der Drucktaupunkt ist die Temperatur, auf die verdichtete Luft abgekühlt werden kann, ohne dass die in ihr enthaltene Feuchtigkeit auskondensiert. Ansaugvolumenstrom V 1 [m 3 /h]; [m 3 /min] Bei Luftverdichtern ist der Ansaugvolumenstrom die Luftmenge, die den Verdichter am Druckstutzen durchströmt, zurückgerechnet auf die Ansaugbedingungen (Druck, Feuchtigkeit, Temperatur; siehe VDI 2045). Bei Hubkolbenverdichtern bezeichnet dies in manchen Fällen den theoretischen Ansaugvolumenstrom, der aus Hubvolumen und Drehzahl resultiert. Ansaugvolumenstrom im Normzustand V 1,N [m 3 N /h] Luftmenge am Druckstutzen, jedoch bezogen auf Normbedingungen (1,013 bar; 0 C = 273,15 K) Effektive Liefermenge V eff [m 3 /h]; [m 3 /min]; Andere Bezeichnung für den Ansaugvolumenstrom (s.o.), auch effektive Fördermenge genannt. Lediglich bei Hubkolbenverdichtern kann sich die effektive Liefermenge vom Ansaugvolumenstrom unterscheiden, wenn damit der theoretische Ansaugvolumenstrom gemeint ist.

15 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung Kubikmeter/Normkubikmeter/Betriebskubikmeter 16 Kubikmeter ist nicht gleich Kubikmeter. Es ist immer eine Frage der physikalischen Zustandsparameter Druck, Temperatur und auch mit geringerem Einfluss des Wassergehaltes eines Luftvolumens. Eine für alle Zustände vergleichbare Größe ist die Masse in kg für ein bestimmtes Volumen. Bei festen Zustandsgrößen lassen sich die Werte für z.b. Volumenströme mit einem festen Faktor umrechnen. In der Pneumatik wird im wesentlichen mit drei Zuständen gearbeitet. Hierbei ist der Normkubikmeter (Nm 3 ) der einzige der auf feste physikalische Grundeinheiten basiert. Diese sind ein Druck von 1.013,25 mbar, eine Temperatur von 0 C (273,15 K) und eine rel. Feuchte der Luft von 0%. Der Kubikmeter (m 3 ), wie er von sehr vielen Herstellern verwendet wird, basiert auf realitätsnahen aber ebenfalls festen Zustandsgrößen (1.000 mbar, 20 C, 0% rel. Feuchte). Diese Referenzbedingungen wurden in der Pneumatik geschaffen, um eine Vergleichbarkeit von Volumenströmen zu erzielen. Der Unterschied erscheint zwar minimal, bedeutet aber eine Differenz von immerhin etwa 8,7% (Umrechnung: 1 Nm 3 = 1,087 m 3 ). Der erzeugte Volumenstrom bei Verdichtungsvorgängen hängt von den Ansaugbedingungen ab, die sich auch jahresund tageszeitlich verändern. Somit ist es notwendig das verdichtete Volumen auf diese Standartwerte umzurechnen, um verschiedene Verdichtersysteme bei unterschiedlichen Bedingungen miteinander vergleichen zu können. Der Betriebskubikmeter (Bm 3 ) betrachtet das tatsächliche Volumen der verdichteten Luft, d.h. bei den gerade aktuellen Betriebsbedingungen, Druck, Temperatur und rel. Feuchte (z.b. 8 bar, 35 C und 80% rel. Feuchte). Mit diesem Wert werden in der Praxis z.b. die Nennweiten von Rohrleitungen ausgelegt und deren Druckverluste berechnet. Man darf dabei nicht außer Acht lassen, dass sich diese Bedingungen auch innerhalb eines Druckluftnetzes ständig ändern. So ändert sich kontinuierlich der Druck, da in den meis ten Fällen der Druckluftverbrauch nicht dem eingespeisten Volumenstrom entspricht. Die Druckverluste und angeschlossene Verbraucher reduzieren den Druck, wenn man sich von der Ein speisung entfernt. Je nach Umgebungsbedingungen wärmt sich die Druckluft in den Leitungen auf oder kühlt, z.b. in Freileitungen, ab. Wird die Druckluft als Prozessluft benötigt, ist die Angabe des Massenstromes (z.b. kg/h) sinnvoller, denn dadurch herrscht Klarheit. Wichtig ist dann aber die Festlegung der Ansaugbedingungen, unter denen der Massenstrom erreicht werden muss.

16 Impuls-Programm RAVEL NRW Motornennleistung P N [kw] Mechanische Nennleistung des eingesetzten Elektromotors gemäß der DIN-Reihe. Sie ist aufgrund der Antriebsverluste höher als die vom Kompressor aufgenommenen Leistung. Leistungsaufnahme Elektrische Leistungsaufnahme 17 P el [kw] Die an den Motorklemmen gemessene elektrische Leistungsaufnahme. Bei der Berechnung muss also der Gesamtwirkungsgrad des Motors berücksichtigt werden. Die Leistungsaufnahme separater Nebenantriebe (Ventilator, Ölpumpen, etc.) kann u.u. ebenfalls in P el enthalten sein. Kupplungsleistungsaufnahme P K [kw] Die vom Verdichter an der Antriebswelle aufgenommene Leistung. Hierbei sind Verluste des Antriebsmotors und der Antriebselemente (Riemen, Kupplung, usw.) bereits abgezogen. Spezifische Leistungsaufnahme P spez [kw/(m 3 /min)], [kwh/m 3 ] Die spezifische Leistungsaufnahme bezeichnet die zur Verdichtung von 1 m 3 /min Luft erforderliche Leistung (in kw) bzw. die zur Verdichtung von 1 m 3 Luft benötigte Energiemenge (in kwh). Dabei ist zu berück sichtigen, ob P spez mit der Kupplungs- oder der elektrischen Leistungsaufnahme gebildet wird, bei welchem Enddruck P spez berechnet wird und auf welchen Zustand der Volumenstrom bezogen ist (Ansaugzustand; Normzustand). Andere gebräuchliche Bezeichnungen für diese Größe lauten: spezifischer Leis - tungsbedarf, spezifischer Energieverbrauch. Druckverhältnis p 2 Π = [-] p 1 Verhältnis zwischen Austrittsdruck p 2 und Eintrittsdruck p 1.

17 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung 1.3 Physikalische Eigenschaften, Grundgesetze der Thermodynamik Luft ist ein ideales Gas, dessen Zustand durch zwei der drei Zustandsgrößen Druck p (in Pa = 0,00001 bar), Temperatur T (in K) und spezifisches Volumen v (in m 3 /kg) eindeutig festgelegt wird. Es gilt die Idealgasgleichung: 18 p v = R T (1) Hierin bezeichnet R die Gaskonstante, die für Luft den Wert R = 287,1 J/(kg K) hat. Weiterhin stellt das spezifische Volumen v den Quotienten aus Volumen V (in m 3 ) und der in V enthaltenen Gasmasse m (in kg) und somit den Kehrwert der Dichte ρ dar: V 1 v = = (2) m ρ Aus diesen beiden Beziehungen wird ersichtlich, dass durch Erhöhung des Druckes p das spezifische Volumen v abnehmen und/oder die Temperatur T zunehmen muss, um den Wert der Gaskonstante R konstant zu halten. Bei der Verdichtung von Gasen ist in der Regel beides der Fall: Durch die Druckerhöhung im Verdichter wird sowohl das spezifische Volumen verringert (d.h. die Dichte erhöht), als auch die Temperatur gesteigert. Letzteres bietet für die Druckluftnutzung i.d.r. keinen Vorteil, weswegen aus Gründen der Energieeinsparung die isotherme Verdichtung bei konstanter Temperatur angestrebt wird. In Druckluftsystemen wird die Idealgasgleichung in massenexpliziter Form benutzt: p V = m R T (3) Das Druckluftnetz besitzt ein konstantes Volumen V, in dem sich beim Betriebsdruck p (in bar (a)) eine ganz bestimmte Luftmasse m befindet. Wird nun durch Verbraucher ein Teil dieser Luft entnommen, so fällt der Druck p, um das Gleichgewicht wieder herzustellen. Umgekehrt ist z.b. im Zylinder eines Kolbenverdichters zum Beginn der Verdichtung eine feste Menge m an Luft eingeschlossen, die durch Verringerung des Volumens V unter Druck- und Temperaturerhöhung soweit verdichtet wird, bis der Druck p im Zylinder den Gegendruck im Druckluftnetz überschreitet und der Ausschiebevorgang beginnt.

18 Impuls-Programm RAVEL NRW Führt man schließlich in diese Beziehung noch die in Wirklichkeit immer bestehende Zeitabhängigkeit ein, so ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen dem Volumenstrom V (in m 3 /min) und dem Massenstrom m (hier in kg/min): p V = m R T (4) Der Massenstrom m ist für einen gegebenen Verdichter vom Ansaugstutzen bis ins Druckluftnetz in der Regel gleich groß, der Volumenstrom verändert sich entsprechend der Druck- und Temperaturänderung während der Verdichtung. 19 In der Atmosphäre liegt die Luft nicht in reiner Form vor, sondern enthält neben diversen Fremdstoffen vor allem Wasserdampf, welchen wir unter dem Begriff Luftfeuchtigkeit kennen. Die Fähigkeit der Luft, eine bestimmte Menge Wasserdampf pro m 3 Luft aufzunehmen, ist ausschließlich temperaturabhängig (Abb. 1). Abb. 1: Wasserdampfgehalt feuchter Luft im Sättigungszustand Wasserdampfgehalt [kg/m 3 ] Mit steigender Temperatur kann die Luft also mehr Wasserdampf tragen wir alle kennen die trockene Luft an Wintertagen. Die atmosphärische Luft ist jedoch nur selten vollständig mit Wasserdampf gesättigt: Man spricht von relativer Feuchte (in % rf) als dem Anteil des in der Luft enthaltenen Wasserdampfs bezogen auf den jeweils maximal möglichen. In Mitteleuropa treten während des Sommers typische Luftfeuchtigkeiten von 70 80% rf, im Winter dagegen z.t. weniger als 40% rf auf.

19 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung 20 Bei der Verdichtung atmosphärischer Luft wird wie oben erläutert das Volumen verringert. Selbst bei der idealen isothermen Verdichtung fällt daher während des Verdichtungsvorgangs Wasser in Form von Kondensat aus, da das für die Wasseraufnahme zur Verfügung stehende Luftvolumen entsprechend der Druckerhöhung verringert wird. Eine solche Kondensatbildung kann auch im Druckluftnetz stattfinden, dort allerdings meist bedingt durch lokale Temperaturabnahme. Beispielsweise kann an einer schlecht isolierten Druckluft-Freileitung im Winterbetrieb ohne ausreichende Druckluftaufbereitung soviel Kondensat ausfallen, dass der Rohrquerschnitt vereist und gravierende Betriebsstörungen resultieren können. 1.4 Einflussgrößen auf den Verdichtungsvorgang, Zustandsänderung Wie lässt sich nun ein Verdichtungsvorgang so beschreiben, dass der Verlauf und die wichtigsten Einflussgrößen der Zustandsänderung anschaulich werden? Mit Kenntnis dieser Schlüsselgrößen lassen sich nämlich wichtige Aussagen zu Energieeinspar-Potentialen ableiten und quantifizieren. Analog zu der in Kapitel 1.3 mit Hilfe der Idealgasgleichung eingeführten Beschreibung des Gaszustands muss zunächst der Energieinhalt h t (in J/kg) näher beschrieben werden. Ein kg eines Gases beim Druck p und der Temperatur T enthält folgende Energieanteile: Die beiden letzten Terme (c 2 /2) und (gz) bezeichnen die kinetische Energie sowie die der geodätischen Höhe z zugeordnete potentielle Energie. Die kinetische Energie ist maßgeblich am Druckaufbau innerhalb von Turboverdichtern beteiligt, weit genug vor und hinter der Turbomaschine aber ebenso vernachlässigbar wie generell für Verdrängermaschinen. Die geodätische Energie (gz) spielt nur bei Druckluftanwendungen in Gebirgslagen eine Rolle. Der erste Term (c v T) bezeichnet die innere Energie des Gases, entsprechend den innerhalb der Gasmoleküle auftretenden Schwingungen. Je mehr Schwingungsenergie die Gasmoleküle enthalc 2 h t = c v T + pv + + gz (5) 2

20 Impuls-Programm RAVEL NRW ten, um so höher ist ihre Temperatur. Der zweite Ausdruck (pv) ist der für die Druckluftanwendung Wichtigste: er resultiert aus der aufzubringenden Verschiebearbeit und kann auch als inneres Potential bezeichnet werden. Modellhaft stellt man sich die zwischenmolekularen Abstoßungs- bzw. Federkräfte als verantwortliche Ursache vor. Auch dieser Anteil hängt bei idealen Gasen laut Gleichung (1) ausschließlich von der Temperatur ab, d.h. es gibt eine Konstante c p, für die unter den genannten Vereinfachungen gilt: 21 h t = c v T + RT = c p T (6) Diese für jedes ideale Gas anders lautende Konstante wird als spezifische Wärmekapazität bezeichnet und bestimmt die zu jedem Energie inhalt gehörige absolute Temperatur. Zur Verdichtung eines Gases vom Zustand 1 auf den Zustand 2 muss eine Arbeit a (in J/kg) aufgewendet werden, und i.d.r. entsteht eine bestimmte Wärmemenge q (in J/kg). Es gilt somit: Δh t = h t2 - h t1 = a + q (7) Geht man zunächst vereinfachend davon aus, dass bei der eigentlichen Verdichtung keine Wärme q abgeführt wird (der Fachmann spricht von adiabater Verdichtung ), so führt die gesamte zugeführte Verdichterarbeit a zu einer Erhöhung der Gesamtenergie h t des Gases. Da laut Gleichung (6) diese Zunahme über die spezifische Wärmekapazität c ρ direkt einer Temperaturerhöhung entspricht, muss also trotz der Druckerhöhung die gesamte als Verdichtungsarbeit zugeführte Energie letztendlich im erhitzten Gas verbleiben oder aber durch entsprechende Rückkühlung wieder abgeführt werden. Kühlt man dabei die erzeugte Druckluft bis auf die Ansaugtemperatur ab, so enthält sie exakt soviel Energie wie die Umgebungsluft! Der ganze Nutzen liegt also darin, dass die in den zwischenmolekularen Federkräften gespeicherte Druckenergie an anderer Stelle wieder rückgewonnen werden kann, dann freilich unter Abkühlung des Gases bzw. unter Wärmeentzug aus der Umgebung. Die Kupplungsleistung P K des Verdichters (in kw), die als maßgebliche Größe in die Energiekosten der Verdichteranlage eingeht, berechnet sich wie folgt: m Δh t P K = (8) η mech

21 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung Hierin stellen m (in kg/s) der durch den Verdichter durchgesetzte Massenstrom und η mech den mechanischen Wirkungsgrad des Verdichterblocks dar. 22 Was lässt sich aus diesen Betrachtungen unter dem Aspekt der Energieeinsparung bei der Drucklufterzeugung ableiten? Zielsetzung muss sein, bei der Verdichtung so wenig Temperaturerhöhung wie möglich zu verursachen, da diese den weiteren Verdichtungsverlauf aufgrund der erhöhten Schwingungsenergie der Moleküle zusätzlich erschwert und ohnehin im Nachhinein durch Kühlung wieder rückgängig gemacht werden muss. Hierzu bieten sich verschiedene Möglichkeiten der Verdichtungsführung an, deren Auswirkungen in Abb. 2 dargestellt sind: Abb. 2: Spez. Verdichtungsarbeit einiger Verdichtungsverläufe Dargestellt sind vier verschiedene Verdichtungsverläufe ausgehend vom Umgebungsdruck (1 bar) und einem spezifischen Volumen von 0,84 kg/m 3 (entsprechend 20 C Umgebungstemperatur) auf einen Enddruck von 11 bar (a). Dies entspricht den Verhältnissen in einem typischen industriellen Druckluftnetz mit 10 bar Endüberdruck. Wie sich zeigen lässt, entspricht die Fläche zwischen den gezeigten Verdichtungsverläufen und den Diagramm - achsen gerade der spezifischen Verdichtungsarbeit a (in J/kg). Wie bereits begründet, weist die isotherme Verdichtung die geringstmögliche Verdichtungsarbeit auf und wird daher in vielen heute gebauten Verdichtern angestrebt. Da in der Praxis aufgrund von Reibungsvorgängen im Gas und internen Verdichterverlusten jedoch immer eine Temperaturerhöhung während der Verdichtung

22 Impuls-Programm RAVEL NRW stattfindet, kann der isotherme Idealfall nur durch innere Kühlung während der Verdichtung (z.b. durch das Einspritzen von Kühlflüssigkeit) angenähert werden. Als typisches Beispiel ist der wassereingespritzte Schraubenverdichter zu nennen. Die isentrope Verdichtung stellt den bereits oben genannten verlustfreien Fall ohne Wärmeabfuhr während der Verdichtung bzw. den Fall gerade identischer Reibung und Wärmeabfuhr dar. Die spezifische Verdichtungsarbeit ist vergleichsweise hoch, weswegen der Verdichtungsprozess oft in mehrere Stufen aufgeteilt wird, zwischen denen eine Zwischenkühlung die entstandene Verdichtungswärme abführt. Typische Vertreter für diesen Verdichtungsverlauf sind Turboverdichter und im einstufigen Fall Kolbenverdichter. 23 Ein Mittelding zwischen beiden Varianten ist der in der Praxis am häufigsten zu findende polytrope Verdichtungsverlauf. Hier kann die während der Verdichtung auftretende Temperaturerhöhung nur zu einem Teil durch entsprechende Wärmeabfuhr ausgeglichen werden. Die spezifische Verdichtungsarbeit ist höher als im isothermen, aber niedriger als im isentropen Fall. Schließlich ist in Abb. 2 noch die isochore Verdichtung aufgezeigt, bei der die Druckerhöhung bei konstantem spezifischem Volumen erfolgt. Dies ist charakteristisch für Pumpen und Gebläse ohne Verkleinerung des inneren Arbeitsraums. Diese Maschinen schieben unter hohem Energieaufwand das angesaugte Gas gegen den anliegenden Gegendruck aus, was für Gase zu einer drastischen Beschränkung des erreichbaren Enddrucks führt. Ein typischer Vertreter dieser Klasse ist das Rootsgebläse, dessen Anwendungsbereich hauptsächlich im Vakuumbereich und bei kleinen Druckdifferenzen Δp zu finden ist. 1.5 Kenngrößen des Verdichtungsprozesses Sind in einem konkreten Anwendungsfall die Eckdaten des Verdichtungsprozesses (Ansaugzustand, Enddruck) bekannt, so ergibt sich in der Praxis die Aufgabe, verschiedene Verdichterbauarten, -prinzipien, -größen oder -hersteller zu vergleichen. Als Kriterium zur Ermittlung des energetisch günstigsten Verdichters werden die Kenngrößen des Verdichtungsprozesses herangezogen. In der

23 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung Praxis hat sich als wichtigstes energetisches Vergleichskriterium der spezifische Leistungsbedarf P spez (in kw/(m 3 /min) bzw. in kwh/m 3 ) durchgesetzt. Der Wert von P spez bezeichnet den Leistungsbedarf P (in kw) eines Verdichters bei der Verdichtung eines Volumenstroms V = 1 m 3 /min vom Ansaugzustand auf den vollen Enddruck: 24 P P spez = (9) V Der Vergleich des spezifisches Leistungsbedarfs zweier Verdichter ist nur bei gleichen Ansaugzuständen und Enddrücken sinnvoll und aussagekräftig! Weiterhin müssen auch die zugrundeliegenden Verdichterleistungen gleich definiert bzw. gemessen werden. Hierbei ist zu beachten, dass neben der in Kapitel 1.4 erläuterten Kupplungsleistung P K noch weitere Leistungsanteile aufzubringen sind, deren Summe als elektrische Gesamtleistungsaufnahme P el aus dem Stromnetz bezeichnet wird: P K P el = + P zus (10) η Antrieb η Mot Zur Kupplungsleistung des Verdichterblocks P K kommen die Verlustleistung des Antriebs (Wirkungsgrad η Antrieb ) und des Antriebsmotors (Wirkungsgrad η Mot ) sowie die zusätzlichen Leistungsanteile P zus aus Hilfsantrieben (Lüfter, Drucklufttrockner, Abluftventilator, Kühlmittelpumpen, etc.). Zum letzteren Term zählen auch die Wärmeverluste der Leistungselektrik (Schaltschrank, Frequenzumformer, etc.). Auf jeden Fall zu beachten ist, dass die Gleichung (10) nur für den Volllastbetrieb des Verdichters gilt und eventuelle Regelungsverluste nicht beinhaltet! Die Ableitung prinzipieller Aussagen soll hier anhand des Vergleichs des spezifischen Leistungsbedarfs der bereits betrachteten verschiedenen Verdichtungsverläufe für ansonsten ideale, verlustfreie Verdichter erfolgen (Abb. 3). Wie zu erwarten war, weist die isotherme Verdichtung die nie - drigste spezifische Leistungsaufnahme aller möglichen Verdichtungsverläufe auf, gefolgt von der polytropen, der isentropen und schließlich der isochoren. Wie aus dem Diagramm unmittelbar ersichtlich wird, sind die Unterschiede um so größer, je höher der Verdichtungs-Enddruck liegt. Ein prozentualer Vergleich bei 11 bar

24 Impuls-Programm RAVEL NRW Enddruck zeigt z.b. einen prozentualen Mehraufwand an spezifischer Leistung gegenüber der isothermen von 22,9% für die polytrope, von 43,6% für die isentrope und von 317% (!) für die isochore Verdichtung. 25 Abb. 3: Spezifischer Leistungs - bedarf idealer Verdichter

25 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung 2 Drucklufterzeugung und -aufbereitung 2.1 Verdichterbauarten: Gegenüber - stellung und Einsatzbereiche Merkmal Funktionsprinzip: Turbo- und Verdrängermaschinen Unter dem Gesichtspunkt des Funktionsprinzips lassen sich die Verdichter in Turbo- und Verdrängermaschinen unterteilen (Abb. 4). Die am häufigsten eingesetzten Typen (grau hinterlegt) werden nachstehend erläutert. Abb. 4: Klassifizierung der Verdichterbauarten/ Funktionsprinzip Turboverdichter erzielen eine Druckerhöhung durch Übertragung kinetischer Energie von einem rotierenden Bauteil auf das in den Kanälen der Beschaufelung gerichtet strömende Gas. Konstruktionsbedingt erfolgt zugleich eine Verzögerung des Gases, was zu einem Druckrückgewinn aus dem kinetischen Energieanteil führt. Entsprechend der Hauptströmungsrichtung unterscheidet man Radial- und Axialverdichter. Bauartbedingt können Radialverdichter Stufendruckverhältnisse bis etwa 2,5 erzielen, Axialverdichter erreichen dagegen nur Werte um 1,3.

26 Impuls-Programm RAVEL NRW 27 Abb. 5 Radialverdichter (Quelle: Ingersoll- Rand) Abbildung 5 zeigt einen einstufigen Radialverdichter. Typisch sind der axiale Lufteintritt und die radial nach außen gerichtete Abströmung. Das Laufrad rotiert mit Umfangsge schwindigkeiten bis zu 500 m/s, was berührungslose Abdichtungen erfordert. Die Lagerung erfolgt fliegend am druckseitigen Läuferende. Verdrängermaschinen sind gegenüber Turbomaschinen durch einen zeitweise abge schlossenen Arbeitsraum gekennzeichnet. Dieser Arbeitsraum kann entweder durch oszillierende Bauteile (Hubkolben) oder zwischen rotierenden Läufern unterschiedlichster Geometrie und dem umgebenden Fördergehäuse gebildet werden (Drehkolben).

27 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung Einlass Auslass 28 Abb. 6 Hubkolben verdichter Der Hubkolbenverdichter (Abb. 6) weist selbsttätig öffnende und schließende Ein- und Auslassventile auf, womit seine innere Verdichtung immer dem auf der Druckseite herrschenden Gegendruck angepasst ist. Das Ansaugen der Luft beginnt im oberen Totpunkt des Kolbens bei der Abwärtsbewegung, die Verdichtung erfolgt dann bei der nachfolgenden Aufwärtsbewegung zwischen unterem Totpunkt und dem Öffnen des Auslassventils. Das Ausschieben des Gases bis auf einen konstruktiv bedingten Schadraum sowie die Rückexpansion des im Schadraum verbleibenden Gases auf den Ansaugdruck vervollständigen das Arbeitsspiel. Einstufige Kolbenverdichter werden mit Stufendruckverhältnissen bis etwa 10 ausgeführt. Unter den Drehkolbenverdichtern am weitesten verbreitet ist der Schraubenverdichter (Abb. 7), dessen beide helixförmig verwundenen, gegensinnig rotierenden Läufer achsparallel angeordnet sind. Zwischen dem konvexen Hauptläufer und dem konkaven Nebenläufer sowie dem umgebenden Gehäuse wird der Arbeitsraum gebildet. Durch Überfahren der gehäusefesten Steuerkanten wird dieser gerade beim Erreichen des konstruktiv bedingten Maximalvolumens gegen die Saugseite abgeschlossen. Die innere Verdichtung, bei der sich ein Zahn des Hauptläufers ( Kolben ) in eine

28 Impuls-Programm RAVEL NRW 29 Abb. 7 Schrauben verdichter Lücke des Nebenläufers ( Zylinder ) hineinbewegt, erfolgt bis zum Erreichen der druckseitigen Steuerkanten. Dort öffnet sich der Ar - beits raum gegen die Druckseite unabhängig vom herrschenden Gegendruck. Diese Arbeitsweise bezeichnet man als zwangsgesteuert. Das nachfolgende Ausschieben des Gases erfolgt vollständig und ohne Schadraum. Schraubenverdichter werden einstufig mit Stufendruckverhältnissen bis zu 5 (Trockenlauf) bzw. bis zu 14 und höher mit Flüssigkeitseinspritzung gebaut. Schraubenverdichter saugen die Umgebungsluft über einen Ansaugfilter (Abb. 8) an, der aus einem Filtereinsatz, einem Zyklon und einer Verschmutzungsanzeige besteht. Vor dem Eintritt in die eigentliche Verdichterstufe strömt die Luft durch den Ansaugregler. In der Verdichterstufe wird kontinuierlich Öl eingespritzt, das die Druckluft kühlt, und die Schraubenelemente gegeneinander abdichtet. Die verdichtete Luft gelangt in einen Ölabscheide - behälter, in dem der größte Teil des in der Druckluft befindlichen Öl abgeschieden wird. Ein anschließender Ölfeinabscheider übernimmt die Restabscheidung des flüssigen Ölanteils. Die Druckluft gelangt über ein Mindestdruckventil mit Rückschlagfunktion in den Nachkühler, der entweder mit Umgebungsluft oder Kühlwasser beaufschlagt wird. Hier wird die Druckluft auf ca. 10 K über Kühlmediumtemperatur abgekühlt. Danach wird in einem nachgeschalteten Zyklonabscheider das anfallende Kondensat weitest-

29 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung gehend abgeschieden. Dieser Zyklonabscheider ist entweder im Lieferumfang des Verdichters enthalten oder sollte zumindest direkt nach Austritt der Druckluft aus dem Verdichter nachträglich installiert werden Ansaugfilter mit Papier- Microfiltereinsatz 2 Multifunktions-Ansaugfilter 3 Öleinspritzung 4 Verdichterstufe 5 Ölabscheidebehälter 6 Ölabscheidepatrone 7 Mindestdruck-Rückschlagventil 8 Ölkühler 9 Nachkühler parallel zum Kühlluftstrom 10 Microfilter 11 Thermostatventil 12 Reinigungsöffnung Abb. 8 Öleingespritzte Verdichteranlage Merkmal Druckbereich und Liefermenge Für die genannten drei Hauptbauarten stationärer Druckluftverdichter haben sich mit der Zeit bauartbedingte Haupteinsatzbereiche in Bezug auf Enddruck und Ansaugvolumenstrom herausgebildet (Abb. 9) Kolbenverdichter Abb. 9 Verdichter bau arten/ Druck- und Volumenstrombereich Verdichtungsdruck [bar (a)] 100 Turboverdichter 10 Schraubenverdichter Liefermenge nach ISO 1217 [m3/h]

30 Impuls-Programm RAVEL NRW Während der Kolbenverdichter über einen sehr breiten Volumenstrombereich von kleinsten bis zu recht großen Werten gebaut wird, deckt der Schraubenverdichter vorteilhaft das Mittelfeld der Liefermengen, der Turboverdichter den Bereich bis hin zu größten Luftdurchsätzen ab. Der Kolbenverdichter kann in mehrstufiger Bauweise Enddrücke von mehreren tausend bar erreichen, Schraubenverdichter werden in der Serie bis 13 bar Überdruck (für Spezialanwendungen bis ca. 50 bar) ausgeführt. Turboverdichter sind als ein- oder vielstufige Aggregate von kleinen Drücken bis hin zu mehreren hundert bar anzutreffen. 31 Unter dem Gesichtspunkt der Betriebsweise sind Turboverdichter traditionell als typische Grundlastmaschinen im oberen Leistungsbereich einzuordnen. Schraubenverdichter decken häufig die Grund- und Mittellast in mittleren und großen Industriebetrieben ab. Kolbenverdichter sind sehr vielfältig in der Anwendung: Die Palette reicht vom kleinsten Handwerkeraggregat mit wenigen hundert Watt Antriebsleistung über robuste Industrieverdichter in Kreuzkopfbauart bis hin zu Startluftverdichtern für Schiffsdiesel Merkmal Schmierung: ölgeschmiert, ölfrei, öl- oder wassereingespritzt, trockenlaufend Entsprechend Ort und Art der im Verdichter eingesetzten Schmierstoffe lassen sich verschiedene Varianten unterscheiden (Abb. 10). Abb. 10 Verdichterbauarten/ Merkmal Schmierung

31 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung Ölgeschmiert: Triebwerk, Dichtungen und Ventile sind ölgeschmiert. Die Druckluft kommt in Kontakt mit dem Schmierstoff. Ölfrei: 32 Das Triebwerk ist über gekapselte Lager fettgeschmiert, die Abdichtungen (hier: Kolbenringe) bestehen aus reibungsarmem Material (z.b. Teflon), die Ventile sind trockenlaufgeeignet. Die Druckluft kommt nicht in Kontakt mit Schmierstoff, allerdings gelangt der bauartbedingte Abrieb der Abdichtungen in die Druckluft. Ölfreie Verdichtung: Das Triebwerk und der Kreuzkopf sind ölgeschmiert, die Abdichtungen und Ventile entsprechen dem ölfreien Verdichter. Auch hier gelangt zwar kein Öl, aber der bauartbedingte Abrieb der Abdichtungen in die Druckluft. Bei den Schraubenverdichtern lassen sich die in Abbildung 11 dargestellten Varianten unterscheiden: Abb. 11 Verdichterbau arten/ Merkmal Schmierung Als Trockenläufer werden auf dem Druckluftsektor relativ hochtourig (bis 120 m/s Umfangsgeschwindigkeit) laufende Schraubenverdichter mit ölumlaufgeschmierten Lagern und berührungsfreien mehrstufigen Abdichtungen eingesetzt. Z.T. sorgen aufwendige Sperrluftsysteme für eine sichere Trennung von Verdichtungs- und Lagerraum, so dass die Druckluft hier im Ölgehalt der Qualität der Ansaugluft entspricht. Aufgrund des begrenzten Stufendruckverhältnisses werden trockenlaufende Schraubenverdichter oft als

32 Impuls-Programm RAVEL NRW mehrstufige Aggregate mit äußerer Zwischenkühlung gebaut. Aufgrund der fehlenden Schmierung zwischen den Rotoren ist ein externes, ölgeschmiertes Synchronisationsgetriebe erforderlich. In öleingespritzten Schraubenverdichtern wird während der Verdichtung ein spezielles Kompressorenöl feinverteilt eingespritzt. Es dient zur Schmierung der direkt über die Profilflanken synchronisierten Läufer, zur inneren Kühlung der Verdichtung sowie zur Abdichtung der Spalte des Arbeitsraums. Typische Drehzahlen liegen bei ca. 30% der Werte des Trockenläufers. Die Ölmenge beträgt ca. 1 2% des Luftansaugvolumenstroms. Ein Teilvolumenstrom des Öls dient direkt der Versorgung der Lager und der äußeren Wellenabdichtung. Der Ölumlauf wird meist ohne Ölpumpe nur durch die Druckdifferenz innerhalb der Verdichteranlage aufrechterhalten. 33 Wassereingespritzte Schraubenverdichter vereinigen die Vorteile der beiden genannten Verdichterbauarten. Durch Einspritzung von Wasser in den Verdichtungsraum wird aufgrund der inneren Kühlung eine Temperaturdifferenz von weniger als 10 C bei der Verdichtung erreicht, was den spezifischen Leistungsbedarf besonders günstig beeinflusst. Dabei verläuft die Verdichtung vollständig ölfrei. Die Rotoren sind bei modernen Bauformen aus verschleißfestem Material, welches ein externes Synchronisationsgetriebe überflüssig macht. Die Drehzahlen und einstufig erreichbaren Enddrücke sind vergleichbar mit den öleingespritzten Schraubenverdichtern. Bei der Lagerung unterscheidet man zwischen konventi - onell öl- oder fettgeschmierten Lagern mit doppelt wirkender (hermetischer) Abdichtung zum Verdichtungsraum und den neu - ent wickelten wassergeschmierten Lagern, die eine vollständig ölfreie Serienverdichterstufe ermöglichen.

33 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung Merkmal Kühlung: luft-, wassergekühlt; mit/ohne Innenkühlung Die Wärmeabfuhr aus dem Verdichter kann über verschiedene Wärmeträger oder deren Kombination sowie an verschiedenen Stellen erfolgen. 34 Abb. 12 Verdichterbauarten/ Merkmal Kühlung Fall 1 in Abbildung 12 (links oben) zeigt die Wasserkühlung mit Innenkühlung. Der Primärkreislauf des Verdichters (Innenkühlung des Verdichtungsraums) kann als Öl- oder Wasserkreislauf ausgebildet sein. Die sekundäre (äußere) Kühlung erfolgt über Wasser als Wärmeträger, über welches sowohl der Primärkreislauf als auch bei Bedarf die Druckluft rückgekühlt werden. Als typische Beispiele sind größere öl- oder wassereingespritzte Schraubenverdichter zu nennen. Fall 2 (links unten) entspricht Fall 1 mit dem Unterschied, dass der Verdichter keine interne Kühlung des Arbeitsraums aufweist. Hier wird das Wasser lediglich zur Kühlung der erzeugten Druckluft sowie ggf. zur äußeren Gehäusekühlung des Verdichters eingesetzt. Typische Vertreter dieser Gruppe sind große stationäre Kolben- und Turboverdichter. Fall 3 (rechts oben) zeigt den luftgekühlten Verdichter mit Innenkühlung. Hierbei wird die Abwärme des primären Öl- oder Wasserkreislaufs sowie ggf. die Restwärme in der Druckluft über eine äußere Luftkühlung abgeführt. Besonders zu beachten ist hierbei die korrekte Planung der bauseitigen Zu- und Abluftführung, da u.u. große Kühlluftmengen bewegt werden müssen. Vorteile sind

34 Impuls-Programm RAVEL NRW dagegen die i.a. gegenüber der Wasserkühlung geringeren Kosten sowie das Entfallen eines eigenen, bauseitigen Kühlwasserkreislaufs. Dieser Typ von Kühlung liegt bei den meisten industriell eingesetzten Druckluftstationen im mittleren Leistungsbereich vor. Als Beispiele sind öl- und wassereingespritzte Schraubenverdichter zu nennen. Fall 4 (rechts unten) schließlich beschreibt den einfachsten, allerdings auch energetisch schlechtesten Fall der Luftkühlung ohne Innenkühlung, bei dem der von außen über den Verdichter und Nachkühler geführte Luftstrom die entstehende Verdichtungswärme aufnimmt. Typisches Beispiel sind untergeordnete Anwendungen bei kleinen Kolbenverdichtern Leistungsdefinitionen und Normen für Verdichter Um Leistungsdaten der Komponenten von Druckluftsystemen genau spezifizieren und miteinander vergleichen zu können, ist es erforderlich, diese gemäß den einschlägigen Normen und technischen Regel werken festzulegen. Nationale Normen werden derzeit durch internationale Normen und Standards ersetzt, die sogenannten ISO-Nor men. Die Vorgaben der einzelnen Normen (insbesondere für Kompressoren) weichen manchmal stark voneinander ab. Aus diesem Grund sollte bei der Leistungsdefinition auch eindeutig auf ein geltendes Regelwerk Bezug genommen werden. Die wichtigsten technischen Regelwerke für Verdichter sind nachfolgend aufgeführt. Die Angaben in Klammern geben die aktuelle Ausgabe an. Verdichter ISO 1217 DIN 1945 PN 2 CPTC 1-3 VDI 2045 Displacement Compressors Acceptance Test (1996) Verdrängerkompressoren Thermodynamische Abnahme- und Leistungsversuche (1980), ersetzt durch ISO 1217 Test Standards for Displacement Compressors (published by PNEUROP/CAGI, 1993) Abnahme- und Leistungsversuche an Verdichtern (1993)

35 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung Die exakte Definition von Leistungsdaten ist aus energetischen und wirtschaftlichen Gründen von großer Bedeutung. Bei der Festlegung der Leistungsdaten ist aber auch zu beachten, unter welchen Bedingungen und an welcher Stelle (Bezugsgrenze) diese Werte zu verstehen sind. Leistungs- und Garantiedaten 36 Ansaugvolumenstrom Leistungsaufnahme bzw. spezifische Leistungsaufnahme Enddruck bzw. Druckverhältnis Regelbereich des Verdichters bei konstantem Enddruck (vor allem bei Turbo verdichtern) Voraussetzungen, unter denen die o.a. Daten gelten Ansaugdruck Ansaugtemperatur Ansaugfeuchte Drehzahl des Verdichters ggf. Kühlmitteltemperaturen und Massenstrom Eintrittstemperaturen der einzelnen Stufen bei mehrstufigen Maschinen Druckverlust von Zwischenkühlern Bezugsorte für die Leistungsdaten Definition der Ein-/Austrittsquerschnitte, auf die Ansaug-/Endzustand bezogen sind (z.b. vor/nach Ansaugfilter, vor/nach Nachkühler, nach Rückschlagklappe) Leistungsaufnahme an den Klemmen des Antriebsmotors oder an der Verdichter kupplung Wirkungsgrad-Messverfahren Für die Darstellung der Wirkungsgrade von Drucklufterzeugungssystemen ist es wichtig, die Rahmenbedingungen exakt zu definieren. Hierzu werden in der Praxis zwei gängige Verfahren herangezogen, die Wirkungsgrad nach ISO 1217/DIN 1945 oder nach Cagi Pneurop PN 2 CPTC 2. Der Unterschied zwischen diesen beiden Verfahren ist der unterschiedliche Betrachtens- und

36 Impuls-Programm RAVEL NRW Bilanzierungsraum. Jedoch betrachtet weder das eine noch das andere Verfahren die gesamten Energiemengen, die zur Drucklufterzeugung benötigt werden und die Druckluftverluste innerhalb der Drucklufterzeugung. Die Betrachtensweise über alle notwendigen Energien bezogen auf den letztendlich in das Druckluftnetz eingespeisten Druckluftstrom stellt den eigentlichen Nutzungswirkungsgrad des Gesamtsystems dar. ISO 1217 Anhang C/ DIN 1945 Bei der Betrachtensweise dieser ISO/DIN wird der Bilanzierungsraum nur um den Verdichtungsprozess an sich gezogen. Dies bedeutet, dass als einziger Input die Leistungsabgabe des Verdichter- und des Lüftermotors und als Output die Druckluftliefermenge am Austritt der letzten Verdichtungsstufe berücksichtigt werden. Dabei wird grundsätzlich der Bestpunkt, das heißt unter optimalen Bedingungen und zum Beispiel ohne Berücksichtigung von Leerlaufleistungen, herangezogen. 37 Cagi Pneurop PN 2 CPTC 2 Im Vergleich zur ISO/DIN ist hier der Bilanzraum auf einen ganzen Verdichter erweitert. Das heißt, dass nun auch die Motorverluste des Verdichters, des Lüfters sowie alle internen Verbräuche der Nebenaggregate eines Verdichters mit berücksichtigt sind. Als Bilanzierungsgröße fließt nun der effektiv vom Verdichter nach einem Kondensatabscheider austretende Druckluftstrom ein. Nutzungswirkungsgrad Dieser nicht in irgendwelchen Normen oder Richtlinien festgelegte Wirkungsgrad stellt die tatsächliche Anlagenkennzahl der gesamten Drucklufterzeugung bis zu einer Übergabestelle an das Druckluftnetz dar. Dieser Wirkungsgrad beinhaltet einerseits alle elektrischen Leistungen einer Druckluftversorgung einschließlich aller Nebenverbraucher. Als Beispiele seien hier die Druckluftaufbereitung durch Trockner oder die elektrischen Schaltanlagen für die Druckluftanlage genannt. Des Weiteren werden der Energiebedarf für die Leerlaufleistungen und die Druckluftverluste innerhalb der Anlage bis zur Übergabestelle in dieser Betrachtensweise mit berücksichtigt.

37 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung 2.2 Regelungsvarianten für Verdichter 38 Die Anpassung der Druckluftproduktion an den aktuellen Verbrauch kann über zwei Grundtypen von Regelungen erfolgen: die Zweipunkt- und die stetige Regelung. Als Führungsgröße wird in jedem Fall der Netzdruck herangezogen, der bei einer Zunahme des Verbrauchs absinkt. Die Zweipunktregelung arbeitet innerhalb eines 1 bis 2 bar breiten Druckbands zwischen unterem Druckniveau (Einschaltdruck) und oberem Druckniveau (Abschaltdruck). Dagegen ist die stetige Regelung in der Lage, auch rasche Veränderungen im Verbrauch bei nahezu konstant gehaltenem Netzdruck durch kontinuierliches Nachstellen auszuregeln. Als Vertreter der Zweipunktregelung werden hier Aussetz-, Leerlauf und Automatikregelung behandelt. Zu den weit verbreiteten stetigen Regelungen gehören die Drehzahl-, Drossel- und Schieberregelung. Der übergeordneten Steuerung von Mehrverdichteranlagen ist Kap gewidmet. Eine Abschätzung der Leistungsaufnahme verschiedener Regelkonzepte ist in Abbildung 13 wiedergegeben. Aufgetragen ist die auf den Auslegungspunkt bezogene relative Leistungsaufnahme über dem relativen Volumenstrom. Die Drehzahlregelung und die Zweipunktregelung mit großem Behälter kommen der Idealkurve am nächsten, wobei die Drehzahlregelung ihre Stärken besonders im Teillastbereich unterhalb ca. 80% rel. Volumenstrom zur Geltung bringt. Einen höhren Leistungsbedarf weisen die Drossel-, Schieber- und Zweipunktregelung mit kleinem Behälter auf. Abb. 13 Energiebedarf bei verschiedenen Regelungskonzepten

38 Impuls-Programm RAVEL NRW Zweipunktregelung: Aussetz-, Nachlauf-, Automatikbetrieb Die Aussetzregelung schaltet nach Erreichen des oberen Druckniveaus den Antriebsmotor des Verdichters ab und nach Unterschreiten des unteren Druckniveaus wieder ein. Der Druckverlauf und die zugehörige Leistungskurve sind in Abbildung 14 über der Zeit schematisch aufgetragen. Durch die Einschaltstromspitzen beim Hochlaufen wird der Motor stark erwärmt, daher ist die Zahl der Schaltspiele z s pro Stunde begrenzt. Sie ist im Wesentlichen von der Motorengröße, der Polzahl, der Isolationsklasse, der Umgebungstemperatur und den Belüftungsverhältnissen abhängig. Der Anwendungsbereich der Aussetzregelung beschränkt sich vor allem auf kleine Kolbenverdichter bis ca. 11 kw Antriebsleistung. Dort bietet sie allerdings eine einfache und vergleichsweise effiziente Betriebsweise. 39 Abb. 14 Aussetzregelung/ Druckverlauf und Leistungsaufnahme Die Last-/Leerlaufregelung umgeht die Begrenzung der Motorschaltspiele durch eine Unterbrechung des Verdichtungsvorgangs beim Abschaltdruck durch eine Ansaugabsperrung oder Ventil - abhebung (Abb. 15). Motor und Verdichter verbleiben im Leerlaufbetrieb, bis der Einschaltdruck unterschritten wird.

39 Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung 40 Abb. 15 Last-/Leerl aufreglung/ Druck verlauf und Leistungsaufnahme Der Nachteil dieser Regelungsart liegt im Leerlauf-Leistungsbedarf P Leer, der bei ca % der Nennleistung P N liegt. Er wirkt sich um so gravierender aus, je länger und je weiter die benötigte Liefermenge vom Auslegungspunkt entfernt liegt. Typische, über das Jahr gemittelte Auslastungen von ca. 60% Volumenstrom korrespondieren mit einem durchschnittlichen Leistungsbedarf von ca. 72% der Nennleistung (vgl. Abb. 13, großer Behälter ). Der Automatikbetrieb kombiniert beide Varianten durch Motorabschaltung nach einer einstellbaren Nachlaufzeit, die die Einhaltung der zulässigen Schalthäufigkeit sicherstellt. Diese Regelungsart wird heute bei der überwiegenden Zahl der industriell zur Drucklufterzeugung eingesetzten Drehkolbenverdichter eingesetzt. Allen drei Arten der Zweipunktregelung gemeinsam ist ein mehr oder weniger breites Druckband, welches eine energetisch ungüns tige Höherverdichtung über den vom Verbraucher minimal erforderlichen Netzdruck erfordert. Wie aus Bsp. 1 hervorgeht, ist pro bar Höherverdichtung ein zusätzlicher Energieaufwand von ca. 7 10% aufzubringen.