Drucklufttechnik-Lexikon

Formelrechner "Neu"

Drucklufterzeugung
- Kompressorart
- Schraubenkompressor
- Hubkolbenkompressor

Kompressorgröße

Druckbehältergröße

Trocknung
- Trocknungsmethoden
- Kältetrocknung

Filterung
- Hochleistungsfilter

Leitungssystem
- Rohrleitungen
- Ringleitung
- Stichleitung
- Korrekturfaktoren für Leitungssysteme

Drucklufterzeuger

Drucklufterzeuger werden ihrem Funktionsprinzip entsprechend in

- Strömungsmaschinen
- Verdrängungsmaschinen

unterteilt. Innerhalb dieser Gruppen gibt es unterschiedliche Kompressortypen, welche ganz spezifische Eigenschaften haben, welche bei der Auswahl berücksichtigt werden müssen.

Kompressorart (Quelle: Boge-Kompressoren)

Hubkolbenkompressor

Der Hubkolbenkompressor ist ein oszillierend arbeitender Verdrängungsverdichter. Hubkolbenkompressoren saugen die Luft durch auf- und abgleitende Kolben an, verdichten sie und stoßen sie wieder aus. Die Vorgänge steuern Saug- und Druckventile. Durch Hintereinanderschalten mehrerer Verdichtungsstufen können verschiedene Drücke und durch Anordnung mehrerer Zylinder können unterschiedliche Luftmengen erzeugt werden. Die typischen Eigenschaften der Hubkolbenkompressoren sind

- hoher Wirkungsgrad
- hohe Drücke.

Die Hubkolbenkompressoren können konstruktiv in unterschiedlichen Varianten gestaltet werden. Zylinderanordnungen stehend, liegend, V-förmig W-förmig oder in Boxer-Bauart sind möglich.

Schraubenkompressoren

Der Schraubenkompressor ist ein rotierend arbeitender Verdrängerverdichter.
Zwei parallele, mit unterschiedlichem Profil versehene Drehkolben arbeiten gegenläufig in einem Gehäuse. Die von der Kompressorstufe des Schraubenkompressors angesaugte Luft wird auf ihrem Weg durch den Kompressor zum Druckstutzen in sich stetig verkleinernde Kammern bis auf den Enddruck verdichtet und anschließend in den Druckstutzen ausgeschoben. Die Kammern bilden die Gehäusewandungen und die ineinander greifenden Gänge der beiden Rotoren. Bei ölfrei verdichtenden Schraubenkompressoren, bei denen die zu verdichtende Luft im Druckraum nicht mit Öl in Berührung kommt, sind die beiden Rotoren durch ein Gleichlaufgetriebe verbunden, so dass sich die Profiloberflächen nicht berühren.
Bei Schraubenkompressoren mit Öleinspritzkühlung wird nur der Hauptläufer angetrieben. Der Nebenläufer dreht sich berührungsfrei mit. Typische Eigenschaften von Schraubenverdichtern sind:

- geringe Baugröße
- kontinuierliche Luftförderung
- niedrige Verdichtungsendtemperatur (bei Öleinspritzkühlung)

Druckluftaufbereitung

Die in der Umgebungsluft vorhandenen Verunreinigungen sind mit dem bloßen Auge meist nicht sichtbar. Trotzdem können sie die zuverlässigen Funktionen des Druckluftnetzes und der Druckluftwerkzeuge beeinträchtigen. 1 m³ Umgebungsluft enthält eine Vielzahl von Verunreinigungen wie z. B.:

- bis zu 180 Millionen Schmutzpartikel, Größe zwischen 0,01 und 100 µm
- 5-40 g/m³ Wasser in Form von Luftfeuchtigkeit
- 0,01 bis 0,03 mg/m³ Öl in Form von Mineralölaerosolen und unverbrannten Kohlenwasserstoffen
- Spuren von Schwermetallen wie Blei, Cadmium, Quecksilber, Eisen

Kompressoren saugen die Umgebungsluft und damit die Luftverunreinigungen an und konzentrieren sie auf ein Vielfaches. Bei einer Verdichtung auf 10 bar_ü (10 bar Überdruck = 11 bar absolut) erhöht sich die Konzentration der Schmutzpartikel auf das 11fache. In 1 m³ Druckluft befinden sich dann bis zu 2 Milliarden Schmutzpartikel. Dabei gelangen noch zusätzlich Schmieröl und Abriebteilchen aus dem Kompressor in die Druckluft.
Bleiben diese Verunreinigungen und das Wasser aus der Umgebungsluft in der Druckluft, kann dies negative Auswirkungen auf das Leitungsnetz und die Verbraucher haben.

Druckluft-Qualitätsklassen nach DIN ISO 8573-1

Die Qualität der Druckluft ist in Klassen unterteilt, die sich hinsichtlich der Anforderungen des Verwendungszweckes unterteilen. Sie erleichtern dem Anwender die Definition seiner Anforderungen und die Auswahl der Aufbereitungskomponenten. Die Norm basiert auf den Herstellerangaben, die erlaubte Grenzwerte bezüglich der Druckluftreinheit für ihre Anlagen und Maschinen ermittelt haben. Die Norm DIN ISO 8573-1 definiert die Qualitätsklassen der Druckluft bezüglich:

Partikelgröße und Dichte

Festlegung von Größe und Konzentration der Feststoffteilchen, die noch in der Druckluft enthalten sein dürfen.

Ölgehalt

Festlegung der Restmenge an Aerosolen und Kohlenwasserstoffen, die in der Druckluft enthalten sein dürfen.

Drucktaupunkt

Festlegung der Temperatur, auf die man die verdichtete Luft abkühlen kann, ohne dass der in ihr enthaltene Wasserdampf kondensiert. Der Drucktaupunkt verändert sich mit dem Luftdruck.

Wasser in der Druckluft

Durch Wasser entsteht Korrosion in der Pneumatikanlage und führt zu Leckagen. In den Druckluftwerkzeugen führt Wasser zu unterbrochenen Schmierfilmen, die Folge davon sind mechanische Defekte. Bei niedrigen Temperaturen kann das Wasser im Druckluftnetz gefrieren und dort Frostschäden, Durchmesserreduzierung und Blockaden verursachen.

Die Aufbereitung der Druckluft ist deshalb wichtig und hat Vorteile:

Wassergehalt der Luft

Luftverunreinigung

 

Umgebung	Durchschnitt mg/m3	Grenzwert mg/m3
Natur	15	50
Stadt	50	100
Industriegebiete	100	500
Fabrikanlagen	200	900

Druckluft-Qualitätsklassen (DIN ISO 8573-1)

 

Klasse	max. Restwassergehalt		max. Reststaubgehalt		max. Ölgehalt mg/m3
	Restwasser g/m3	Drucktaupunkt °C	Staubdichte mg/m3	Staubgröße mg/m3
1	0,003	-70	0,1	0,1	0,01
2	0,117	-40	1	1	0,1
3	0,88	-20	5	5	1
4	5,953	+3	8	15	5
5	7,732	+7	10	40	25
6	9,356	+10	-	-	-

Kompressorgröße

Die grundsätzliche Entscheidung bei der Einrichtung einer Kompressorstation ist die Festlegung der Kompressorbauart.
Für fast alle Einsatzbereiche von Druckluftwerkzeugen sind Schrauben- oder Kolbenkompressoren die richtige Wahl.
Schraubenkompressoren sind für bestimmte Einsatzbereiche besonders geeignet bei:

- hoher Einschaltdauer
- kontinuierlichem Druckluftverbrauch ohne große Lastspitzen (ED = 100 %)
- großen Liefermengen
- pulsationsfreien Volumenströmen
- Verdichtungsdrücken zwischen 5...14 bar

Schraubenkompressoren eignen sich hervorragend als Grundlast-Maschinen in Kompressorverbundsystemen. Bei großen Liefermengen ist der Schraubenkompressor die wirtschaftlichste Variante.
Kolbenkompressoren haben ebenfalls ihre speziellen Einsatzbereiche. Sie ergänzen sich mit denen der Schraubenkompressoren. Ihre Stärken liegen bei:

- intermittierendem Bedarf
- Lastspitzen
- häufigem Lastwechsel
- kleinen Liefermengen
- Verdichtungsdrücken bis 35 bar

Kolbenkompressoren eignen sich für schwankenden Druckluftverbrauch mit Lastspitzen. Sie können als Spitzenlastmaschinen in einem Kompressorverbundsystem eingesetzt werden. Bei häufigen Lastwechseln sind Kolbenkompressoren die beste Wahl. Bei kleinen Liefermengen arbeitet der Kolbenkompressor wirtschaftlicher als der Schraubenkompressor. Wenn ein Betrieb mit schwankendem Druckluftverbrauch rechnet und spätere Erweiterungen plant, wird er einen Kompressor benötigen, der für stark intermittierenden Betrieb ausgelegt ist. Hier bietet sich ein Kolbenkompressor an. Kann die Liefermenge des Kompressors den konstanten Druckluftbedarf decken, sollte ein Schraubenkompressor eingesetzt werden. Kolbenkompressoren arbeiten im Aussetzbetrieb. Sie haben keinen Leerlauf. Schraubenkompressoren müssen durch ihre geringe Schaltdifferenz und den relativ kleinen Druckluftbehälter automatisch im Leerlaufbetrieb fahren, um viele Motorschaltspiele zu vermeiden. Die Wahl des richtigen Systems sollte nicht vom Kaufpreis abhängig sein, denn dieser amortisiert sich schnell, wenn laufende Betriebskosten gespart werden. Laufende Betriebskosten sind nicht nur die Energiekosten für die Drucklufterzeugung, sondern auch die Leerlaufkosten.

Druckbehältergröße

Druckluftbehälter werden entsprechend der Liefermenge des Verdichters, dem Regelsystem und dem Druckluftverbrauch dimensioniert. Druckluftbehälter im Druckluftnetz haben verschiedene, wichtige Aufgaben zu erfüllen. Der Kompressor baut im Druckluftbehälter ein Speichervolumen auf. Der Druckluftverbrauch kann zeitweise aus diesem Speichervolumen gedeckt werden. Der Kompressor liefert in dieser Zeit keine Druckluft. Er steht in Bereitschaft und verbraucht keinen Strom. Darüber hinaus wird schwankende Druckluftentnahme im Netz ausgeglichen und Spitzenbedarf abgedeckt.

Der Motor schaltet seltener und der Motorverschleiß wird reduziert. Unter Umständen werden auch mehrere Druckluftbehälter benötigt, um ein ausreichendes Speichervolumen aufzubauen. Sehr große Druckluftnetze verfügen meist über ein ausreichendes Speichervolumen. In diesem Fall können entsprechend kleinere Druckluftbehälter gewählt werden. Kolbenkompressoren erzeugen, aufgrund ihrer speziellen Funktionsweise, einen pulsierenden Volumenstrom. Diese Druckschwankungen beeinträchtigen die Funktion verschiedener Verbraucher. Besonders Regelschaltungen und Messeinrichtungen reagieren mit Fehlern auf einen pulsierenden Volumenstrom. Der Druckluftspeicher wird zum Glätten dieser Druckschwankungen eingesetzt. Bei Schraubenkompressoren entfällt diese Aufgabe weitestgehend, da sie einen fast gleichmäßigen Volumenstrom erzeugen. Die Bestimmung des Druckluftbehältervolumens erfolgt meist durch die praxisnahen Erfahrungswerte der Hersteller. Es sollten, wenn immer möglich, Behälter aus der Normreihe gewählt werden. Der maximale Druck, für den ein Behälter ausgelegt ist, liegt aus Sicherheitsgründen immer mindestens 1 bar über dem maximalen Kompressorhöchstdruck. Auf diesen Wert wird das Sicherheitsventil eingestellt. Das Volumen des Druckluftnetzes kann als Teil des Behältervolumens mit berücksichtigt werden.

Trocknung

In der atmosphärischen Luft befinden sich immer gewisse Mengen Wasserdampf. Der Gehalt schwankt zeitlich und örtlich und wird als Luftfeuchtigkeit (Feuchte) bezeichnet. Bei jeder Temperatur kann ein bestimmtes Luftvolumen nur eine Höchstmenge Wasserdampf enthalten. Erhöht sich die Temperatur, dann kann mehr Wasser pro Volumen gehalten werden, verringert sich die Temperatur, dann kann der Wasserdampf nicht mehr gehalten werden. Er fällt dann als Kondensat aus.
Für den Wasserdampfgehalt verwendet man den Begriff "Feuchte". Er beinhaltet folgende Unterbegriffe:

- maximale Feuchte
- absolute Feuchte
- relative Feuchte
- atmosphärischer Taupunkt
- Drucktaupunkt

Trocknungsmethoden

Druckluft kann nach verschiedenen Methoden getrocknet werden. Mögliche Methoden sind:

- Kondensation ist die Wasserabscheidung durch die Unterschreitung des Taupunkts
- Diffusion ist die Trocknung durch Molekültransfer
- Absorption ist die Trocknung durch Feuchtigkeitsentzug

Trocknungsverfahren von Druckluft

Kältetrocknungsverfahren

Bei sinkenden Temperaturen verringert sich die Fähigkeit der Luft, Wasser mit sich zu führen. Um den Feuchtegehalt zu verringern, kann Druckluft in einem Kältetrockner abgekühlt werden.
Funktionsprinzip: Die Druckluft wird durch ein Kältemittel in einem Wärmeaustauscher gekühlt. Dabei scheidet der in der Druckluft enthaltene Wasserdampf in Form von Kondensat aus. Die ausfallende Kondensatmenge steigt mit der Differenz zwischen der Drucklufteintritts- und -austrittstemperatur.

Eigenschaften:

- hohe Wirtschaftlichkeit, für ca. 90 % aller Anwendungsfälle für Trockner ist die Kältetrocknung das wirtschaftlichste Verfahren
- Abscheidung von Fremdstoffen, nahezu 100 % aller Feststoffpartikel und Wassertröpfchen, die größer als 3 µm sind, werden abgeschieden
- geringer Druckverlust im Trockner

Filterung

Die Auswahl des zur Anwendung passenden Filters in einem Druckluftsystem setzt die Kenntnis der relevanten Größen und Faktoren voraus. Dies sind:

- Filterabscheidegrad
- Partikelkonzentration
- Druckabfall
- Volumenstrom

Filtertypen

Je nach Staubanfall und geforderter Druckluftqualität kommen folgende Filtertypen zum Einsatz:

- Zyklonabscheider
- Vorfilter
- Hochleistungsfilter
- Aktivkohlefilter

Die Filter werden meist in Kombination miteinander verwendet.

Hochleistungsfilter

Hochleistungsfilter kommen zum Einsatz, wenn hohe Ansprüche an die Qualität der Druckluft gestellt werden. Sie reduzieren den Restöl-Gehalt der Druckluft auf 0,01 mg/m3 und liefern damit technisch ölfreie Druckluft. Schmutzpartikel werden mit einem Abscheidegrad von 99,9999 % bezogen auf 0,01 µm ausgefiltert.
Es wirken drei entscheidende Mechanismen zusammen:

- Direkte Berührung. Größere Teilchen und Tropfen treffen direkt auf Fasern des Filtermaterials und werden gebunden
- Aufprall. Teilchen und Tropfen treffen auf Fasern des Filtermaterials. Dort prallen sie ab, werden aus der Strömungsbahn geleitet und von der nächsten Faser absorbiert.
- Diffusion. Kleine und kleinste Partikel koalieren im Strömungsfeld und schließen sich aufgrund der Molekularbewegung zu immer größer werdenden Partikeln zusammen. Diese Partikel scheiden dann aus.

Funktionsprinzip: Hochleistungsfilter arbeiten nach dem Prinzip des Tiefenfilters. Der Tiefenfilter besteht aus feinsten Einzelfasern und bildet eine poröse Struktur. Die Partikelabscheidung erfolgt während des gesamten Weges, den die Druckluft durch das Filterelement zurücklegt. Tiefenfilter werden von innen nach außen durchströmt. Die Flüssigkeitsphase aus Öl und Wasser lagert sich beim Durchströmen des Filters am Faservlies an. Die Luftströmung treibt dann das Kondensats und die größer werdenden Tropfen weiter durch den Filter nach außen. Ein Teil des Kondensats verlässt durch diesen Effekt das Filterelement wieder. Der Schwerkraft folgend sammelt sich das Kondensat im Sammelraum des Filters.

Eigenschaften:

- Abscheiden von Öl in der Flüssigphase. Die Öltropfen werden nahezu 100 % ausgefiltert, nicht aber Öldampf.
- Der Abscheidegrad des Filters sinkt mit steigender Betriebstemperatur. Ein Teil der Öltropfen verdampft und durchdringt den Filter. Bei einem Temperaturanstieg von +20° und +30° strömt bereits die 5fache Ölmenge durch den Filter.
- Recycelbar.

Leitungssystem

Eine zentrale Druckluftversorgung macht ein Rohrleitungsnetz notwendig, das die einzelnen Verbraucher mit Druckluft versorgt. Um den zuverlässigen und kostengünstigen Betrieb der einzelnen Verbraucher zu gewährleisten, muss das Rohrleitungsnetz verschiedene Bedingungen erfüllen:

- ausreichender Volumenstrom

Jeder Verbraucher des Rohrleitungsnetzes muss zu jeder Zeit mit dem benötigten Volumenstrom versorgt werden.

- notwendiger Arbeitsdruck

Bei jedem Verbraucher des Rohrleitungsnetzes muss zu jeder Zeit der notwendige Arbeitsdruck anliegen.

- Druckluftqualität

Jeder Verbraucher des Rohrleitungsnetzes muss zu jeder Zeit mit Druckluft der entsprechenden Qualität versorgt werden.

- geringer Druckabfall

Der Druckabfall im Rohrleitungsnetz muss aus wirtschaftlichen Gründen so gering wie möglich sein.

- Betriebssicherheit

Die Druckluftversorgung sollte mit der höchstmöglichen Sicherheit gewährleistet sein. Bei Leitungsschäden, Reparaturen und Wartungen darf nicht das gesamte Netz ausfallen.

- Sicherheitsvorschriften

Alle einschlägigen Sicherheitsvorschriften müssen beachtet werden. Die Verteilerleitungen werden durch den gesamten Betrieb verlegt und bringen die Druckluft in die Nähe der Verbraucher. Sie sollten nach Möglichkeit immer eine Ringleitung sein. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit und die Betriebssicherheit des Rohrleitungsnetzes erhöht. Der Druckabfall in den Verteilerleitungen sollte 0,03 bar nicht überschreiten.

Rohrleitungen

Für das Leitungssystem können verschiedene Werkstoffe eingesetzt werden. Mögliche Leitungswerkstoffe sind:

- Stahlrohre mit Gewinde
- Nahtlose Stahlrohre
- Edelstahlrohre
- Kunststoffrohre
- Aluminiumrohre
- Aluminiumprofilrohre

Die Eigenschaften der unterschiedlichen Werkstoffe müssen beachtet werden.

Ringleitung

Eine Ringleitung bildet einen geschlossenen Verteilungsring. Es ist möglich, einzelne Abschnitte des Rohrleitungsnetzes abzusperren, ohne dabei die Druckluftversorgung anderer Bereiche zu unterbrechen. Dadurch ist die Druckluftversorgung der meisten Verbraucher, auch bei Wartungs-, Reparatur- und Erweiterungsarbeiten, immer gewährleistet. Bei der Druckluftversorgung durch einen Verteilungsring muss die Druckluft einen kürzeren Weg zurücklegen als bei Stichleitungen. Das bedingt einen geringeren Druckabfall. Bei der Dimensionierung der Ringleitung kann mit der halben strömungstechnischen Rohrlänge und dem halben Volumenstrom gerechnet werden.

Stichleitung

Die Verteilerleitungen werden durch den gesamten Betrieb verlegt und bringen die Druckluft in die Nähe der Verbraucher. Sie können auch eine Stichleitung sein. Der Druckabfall in den Verteilerleitungen sollte 0,03 bar nicht überschreiten. Stichleitungen zweigen von größeren Verteilerleitungen oder der Hauptleitung ab und enden am Verbraucher. Durch Stichleitungen können abseits stehende Verbraucher versorgt werden. Es ist aber auch möglich, die gesamte Druckluftversorgung über Stichleitungen zu realisieren. Sie haben den Vorteil, dass sie weniger Material benötigen als Ringleitungen. Sie haben aber auch den Nachteil, dass sie größer als Ringleitungen dimensioniert werden müssen und häufig hohe Druckverluste verursachen. Stichleitungen sollten grundsätzlich durch ein Absperrventil vom Netz abtrennbar sein. Dadurch werden Reparaturen, Wartungen u. Ä. erleichtert.

Korrekturfaktoren im Leitungsnetz

Armaturen und Fittings haben einen erhöhten Strömungswiderstand zur Folge. Nach Praxiserfahrung ergeben sich dafür entsprechende Längenfaktoren, welche als zusätzliche Rohrlänge in Meter in die Leitungsnetzberechnung einbezogen werden müssen.