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Bedarfsgerecht verdichten

Wirtschaftliche Druckluftversorgung - Teil 1
Bedarfsgerecht verdichten

Wer einen neuen Kompressor braucht oder die vorhandene Druckluftanlage erweitern bzw. optimieren möchte, muß sich u. a. mit den zwei gängigen Verdichtersystemen auseinandersetzen: den Kolben- und Schraubenkompressoren. Eine prinzipielle Aussage, welche der beiden Verdichterbauarten die “bessere” ist, kann man nicht treffen. In diesem ersten Beitrag unserer dreiteiligen Serie “Wirtschaftliche Druckluftversorgung” geht es deshalb darum, beide Konzepte zu beschreiben sowie ihre Funktionswei-sen und möglichen Einsatzbereiche aufzuzeigen.

Wenn es um die Investition in eine neue Druckluftstation geht, sollte man sich Zeit lassen und ausreichend informieren. Dabei trifft man allerdings nicht selten auf pauschale Aussagen. Manchmal ist beispielsweise zu hören, Kolbenkompressoren hätten eine alte, überholte Technik und seien daher nicht für Dauerbetrieb geeignet. Aber sie seien transportabel und deshalb ideal für den Baustelleneinsatz. Im gleichen Atemzug heißt es dann, Schraubenkompressoren seien moderner, leiser usw.

Ob und was nun tatsächlich dran ist an solchen oder ähnlichen Aussagen, wollen wir nun der Reihe nach erläutern.
Kolbenkompressoren
Zu einer typischen Kolbenkompressor-Anlage gehört immer der eigentliche Verdichterblock. Dieser besteht aus dem Kompressor, der entweder über einen direkt angeflanschten Motor verfügt oder über Keilriemen angetrieben wird, und auf einem Druckluftbehälter aufgebaut ist.
Der Druckluftbehälter dient zum Speichern, Beruhigen und Abkühlen der Druckluft.
• Die Druckluft muß gespeichert werden, damit bei plötzlich erhöhtem Bedarf, der über die tatsächliche Liefermenge des Kompressors hinausgeht, genügend Reserven zur Verfügung stehen.
• Die Druckluft muß beruhigt werden, da der Kolbenkompressor einen pulsierenden Volumenstrom erzeugt, der für die Standzeit und die Funktionssicherheit der nachgeschalteten Werkzeuge nicht gerade förderlich ist.
• Die Druckluft muß abgekühlt werden, damit das Kondensat nicht erst in der Druckluftleitung anfällt und zu Störungen an den Verbrauchern führt. Der Druckluftbehälter kann nie groß genug sein. Ein zu kleiner Behälter hat kein ausreichendes Speichervolumen. Er ist schnell gefüllt und natürlich auch sehr schnell wieder entleert. Daraus folgt: der Kompressor schaltet sehr häufig ein bzw. aus und der Motor wird zu stark beansprucht.
Behältergröße: Man kann mit komplizierten Formeln die Behältergröße ausrechnen. Das ist bei größeren Unternehmen auch sicher gerechtfertigt. Denn dort geht es um sehr große Druckluftmengen.
Andererseits gibt es praktische Erfahrungswerte für die Dimensionierung von Druckluftbehältern, die im Normalfall ausreichend sind. Als einfache Faustformel gilt für den üblichen Betrieb:
• Die Größe des Druckluftbehälters, gemessen in Litern, soll so groß sein wie die Liefermenge des Kompressors in Litern/Minute (Beispiel: liefert ein Kompressor 500 l/min, dann ist ein Behälter ca. 500 l Inhalt ideal).
Man kann sich in der Regel auch auf die Angaben der Kompressorenhersteller verlassen, die in ihren Angeboten, Prospekten und Preislisten bereits jedem Kompressor den passenden Druckluftbehälter zugeordnet haben.
Funktionsweise: Der typische Kolbenkompressor wird über einen Elektromotor angetrieben. Ein Druckschalter, angebracht am Druckluftbehälter, schaltet den Motor bei Erreichen des Kompressorhöchstdruckes aus und bei Erreichen des unteren Schaltpunktes des Druckschalters wieder ein.
Der Druckschalter muß am Druckluftbehälter angebracht sein, da an dieser Stelle beruhigte Druckluft zur Verfügung steht. Eine Druckabnahme direkt am Kompressor mit pulsierendem Druck würde kein einwandfreies Schalten gewährleisten. Die Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausschaltdruck beträgt in der Regel 20 % vom Höchstdruck. Ein 10-bar-Kompressor schaltet also zwischen 8 und 10 bar, ein 15 bar Kompressor analog zwischen 12 und 15 bar. Eine zu geringe Schaltdifferenz unter 2 bzw. 3 bar würde ein zu häufiges Schalten verursachen, eine zu große Schaltdifferenz von z. B. 6 zu 10 bar könnte den Mindestdruck im Behälter so weit absenken, daß ein einwandfreier Betrieb der Verbraucher nicht mehr gewährleistet ist.
Der Kolbenkompressor arbeitet grundsätzlich im Aussetzbetrieb (Start-Stopp-Betrieb). Er läuft nur, wenn Druckluft benötigt wird. Ansonsten schaltet er aus, ohne kostenträchtigen Leerlaufbetrieb.
Betriebsarten: Kolbenkompressoren gibt es für die unterschiedlichsten Einsatzfälle auf dem Markt. Je nach Bedarf kann der Betreiber wählen.
Es gibt
• Geräte mit 100 % Einschaltdauer als Grundlastkompressor für Dauer-Lastlauf geeignet
• Geräte für intermittierenden Betrieb mit ca. 60 % Einschaltdauer.
Kolbenkompressoren können also durchaus auch für Dauerbetrieb geeignet sein.
Anschlußfertige Lieferung: Fahrbare Kompressoren für den Betrieb auf Baustellen haben bereits ein elektrisches Anschlußkabel mit Stecker und als Druckluftanschluß eine Kupplung mit Schlauchanschluß. Sie sind sofort einsatzbereit.
Bei stationären Anlagen, die normalerweise größer sind als der Baustellenkompressor, sind Elektro- und Druckluftanschluß bauseits durch Fachkräfte vorzunehmen.
Die kompletten, anschlußfertigen Kompressoranlagen müssen den EG-Vorschriften entsprechen. Dies wird belegt zum einen durch eine Konformitätserklärung, zum anderen durch das an der Anlage angebrachte CE-Zeichen.
Wenn der Kompressor zu klein wird: Sinkt bei der Kompressoranlage während des Betriebes plötzlich der Druck oder läuft der Kompressor ohne Unterbrechung und erreicht nicht mehr seinen Ausschaltdruck, dann ist etwas faul. Aber was? Man könnte meinen, daß der Druckluftbehälter zu klein sei und ein zweiter Behälter Abhilfe schaffen könnte. Das ist jedoch nicht unbedingt richtig: denn ein zweiter Behälter könnte zwar das gesamte Speichervolumen erhöhen und dadurch kurzzeitig für einen etwas größeren Puffer sorgen. Aber eine Patentlösung ist das nicht. Werden nämlich statt 1000 l/min ständig 1100 l/min benötigt, dann nützt auf Dauer kein größerer Behälter. Dann muß entweder ein Kompressor mit höherer Liefermenge oder aber ein zusätzlicher Kompressor installiert werden.
Ein zweiter Kompressor speist zusammen mit dem vorhandenen den selben Druckluftbehälter. Das ist bei einer stationären Installation in der Regel ohne Schwierigkeiten möglich. Ist der zweite Kompressor genauso leistungsstark wie der erste, dann stehen 2 x 1000 l/min bei einem Druckluftbedarf von 1100 l/min zur Verfügung. Es sind also genügend Leistungsreserven für eventuelle Erweiterungen oder zusätzlichen Spitzenbedarf vorhanden. Auch die Steuerung des zweiten Kolbenkompressors ist problemlos. Ein eigener Druckschalter mit leicht versetzten Schaltgrenzen, angebracht am Druckluftbehälter, schaltet den neuen Kompressor als Spitzenlast dem vorhandenen Grundlastkompressor zu. Wenn man noch für eine gleichmäßige Auslastung beider Kompressoren sorgen will, dann lassen sich die Maschinen über eine automatische Grundlast-Wechselschaltung zeitabhängig mit einer Schaltuhr steuern.
Die Vorteile einer Doppelanlage gegenüber einer größeren Anlage liegen auf der Hand:
• geringere Stromspitzen beim Anfahren
• längere Verfügbarkeit
• höhere Betriebssicherheit, denn beim Ausfall eines Kompressors steht der zweite immer zur Verfügung.
Die Ausstattung der stationären Kolbenkompressoren mit zusätzlicher Schalldämmhaube für den problemlosen Betrieb direkt am Arbeitsplatz ist ebenso unproblematisch wie das Nachschalten von Drucklufttrocknern und/oder -filtern für trockene und ölfreie Druckluft.
Ölfrei oder ölgeschmiert?: Schließlich stellt sich noch die Frage nach der Verdichtungsart: ölfrei oder ölgeschmiert. Ölfrei verdichtet wird dann, wenn
• Ölanteile in der Druckluft absolut nicht zulässig sind
• keine Möglichkeiten der Ölkontrolle oder des Ölwechsels bestehen
• ölhaltiges Kondensat nicht aufbereitet werden kann
• Kosten und Folgekosten für zusätzliche Druckluftaufbereitung gespart werden sollen.
Für den “normalen” Betrieb sind die herkömmlichen ölgeschmierten Kompressoren sicher die idealen Drucklufterzeuger. Im Einzelfall sollte man diese Frage mit den Experten der Kompressorhersteller eingehend erörtern.
Fazit: Die eingangs erwähnten “Vorurteile” gegenüber Kolbenkompressoren sind nicht richtig.
• Kolbenkompressoren haben keine veraltete Technik: ihre Konstruktion ist über Jahrzehnte ausgereift, neue Materialien und Techniken fließen ständig in Neuentwicklungen ein.
• Kolbenkompressoren sind schallgedämmt lieferbar.
• Kolbenkompressoren sind anschlußfertig lieferbar, mit CE-Zeichen.
• Es gibt Kolbenkompressoren, die im Dauerlauf zu betreiben und auch für stark intermittierenden Betrieb geeignet sind.
Schraubenkompressoren
Schraubenkompressoren werden von Haus aus in schallgedämmter oder sogar superschallgedämmter Ausführung angeboten. Sie sind dadurch für die Aufstellung direkt am Arbeitsplatz prädestiniert.
Zu einer Kompressorstation mit einem Schraubenkompressor gehört ebenfalls ein Druckluftbehälter. Er hat die gleichen Funktionen wie bei einem Kolbenkompressor. Lediglich die Pulsationsdämpfung entfällt, da ein Schraubenkompressor bereits pulsationsarme Druckluft erzeugt.
Behältergröße: Im Vergleich zum Kolbenkompressor ist der einem Schraubenkompressor nachgeschaltete Druckluftbehälter um 2/3 kleiner. Der Schraubenkompressor füllt den kleineren Behälter schneller als ein Kolbenkompressor. Der Behälter ist aber logischerweise auch schneller wieder leer. Das bedeutet: Ein Schraubenkompressor schaltet häufiger als ein Kolbenkompressor, wodurch der Motor stärker belastet wird. Wieso das nun bei einem Schraubenkompressor möglich ist, werden Sie sich jetzt fragen. Zu Recht, denn: beim Schraubenkompressor ist das genauso wenig möglich wie bei einem Kolbenkompressor. Er wird lediglich anders gesteuert.
Funktionsweise: Auch Schraubenkompressoren werden über Druckschalter gesteuert. Diese sind jedoch nicht am Behälter angebracht, sondern innerhalb des Schraubenkompressor-Gehäuses, da an dieser Stelle bereits pulsationsarme Druckluft zur Verfügung steht.
Der Druckschalter hat auch nicht diese große Spreizung von 2 bar, wie sie beim Kolbenkompressor üblich ist. Die Druckdifferenz zwischen dem Einschalt- und Ausschaltdruck beträgt lediglich 0,5 – 1 bar. Es kommt also zu dem kleinen Druckluftbehälter, der die Schalthäufigkeit des Kompressors fördert, noch ein weiterer Faktor zu deren Erhöhung hinzu.
Die Lösung: Der Schraubenkompressor schaltet bei Erreichen seines Höchstdruckes nicht aus. Er arbeitet im Leerlaufbetrieb weiter, um den Motor zu schonen. Doch der Leerlaufbetrieb bei Schraubenkompressoren bedeutet aber ca. 25 bis 30 % Leistungsbedarf, ohne auch nur einen Liter Druckluft zu erzeugen. Bei Druckluftbedarf startet der Kompressor aus dem Leerlauf heraus in den Lastlauf, ohne den Motor unnötig zu belasten.
Damit nun der Kompressor nicht zu lange im Leerlauf arbeitet, halten die Kompressorhersteller die Leerlaufzeit in Grenzen. Jeder Hersteller hat seine eigenen Steuerungen. Wichtig ist, daß die Leerlaufzeit und damit auch die Leerlaufkosten minimiert werden. Die Leerlaufsteuerung berücksichtigt die maximal zulässigen Schaltungen des Elektromotors. Diese sind wiederum abhängig von der Motorgröße.
Der Bielefelder Kompressoren Hersteller Boge stattet seine Schraubenkompressoren beispielsweise durchweg mit einem intelligenten Steuerungs- und Überwachungskonzept (ARS) aus. Dadurch werden die Lebensdauer des Kompressors verlängert, die laufenden Kosten reduziert und die Verfügbarkeit der Druckluftanlage erhöht. Folgende Funktionen machen dies möglich:
Dynamische Vollast-Leerlauf-Regelung: Ein Microcontroller ermittelt dynamisch den Verbrauchstrend aus dem aktuellen Betriebszustand und einem programmierten Idealwert.
Automatische Wahl der günstigsten Betriebsart. Es wird immer der kostengünstige Aussetzbetrieb (Start-Stopp-Betrieb) angestrebt.
Automatische Optimierung der Motorschaltspiele. Die maximal zulässigen Motorschaltspiele bestimmen, in welcher Betriebsart der Kompressor arbeitet.
Erweiterung der Schraubenkompressor-Station: Die Erweiterung einer Schraubenkompressor-Station ist analog zur Kolbenkompressor-Station zu sehen. Nur eines sollte bei Mehrfachanlagen noch beachtet werden. Die Druckschalter der Kompressoren werden sinnvollerweise in ihren Schaltgrenzen kaskadenartig verstellt. Beispiel:
• Grundlastkompressor 9 zu 10 bar
• Mittellastkompressor 8,5 zu 9,5 bar
• Spitzenlastkompressor 8 zu 9 bar.
Das bedeutet, daß bei einem Mindestdruck von 8 bar im Druckluftbehälter ein Kompressor bis zu 10 bar hochverdichten muß. Dies ist Energieverschwendung, denn 1 bar Druckerhöhung bedeutet ein Mehr an Energie von ca. 10 %.
Mehrfachanlagen-Steuerungen: Bei modernen Mehrfachanlagen-Steuerungen wird nicht mehr jedem Kompressor sein eigener Druckschalter zugeordnet. Ein Drucksensor mit einer Bandbreite von ca. 0,5 bar regelt alle Kompressoren. Um 8 bar im Druckluftbehälter zu garantieren, arbeiten alle drei Kompressoren zwischen 8 und 8,5 bar. 1,5 bar Druckerhöhung auf 10 bar werden eingespart.
Beispiel: Ein 30 kW Spitzenlastkompressor spart 1,5 bar Druckerhöhung von 8,5 auf 10 bar. Das sind 15 % von 30 kW = 4,5 kW x 2000 Betriebsstunden = 9000 kWh x 0,25 DM/kWh = 2250,- DM.
Ein 30 kW Mittellastkompressor spart 1 bar Höherverdichtung von 8,5 auf 9,5 bar. Das sind Einsparungen von 1500,- DM.
Ein 30 kW Grundlastkompressor spart 0,5 bar Höherverdichtung von 8,5 auf 9 bar. Das sind Einsparungen von 750,- DM.
Insgesamt fallen Einsparungen in Höhe von 4500,- DM an.
Eine weitere Art der wirtschaftlichen Kompressorsteuerung sind Verbundsysteme, bestehend aus Kolben- und Schraubenkompressoren. Der Schraubenkompressor arbeitet dabei im Grundlastbetrieb. Er läuft ständig und deckt mit seiner Liefermenge den Druckluftbedarf ab. Leerlaufzeiten fallen nicht an. Bei Spitzenbedarf schaltet ein Kolbenkompressor hinzu. Er arbeitet ja nur, wenn Druckluftbedarf ansteht. So hat man eine gesunde Mischung aus Schrauben- und Kolbenkompressoren ohne unnötige Leerlaufkosten.
Schlußbetrachtung
Bei der Auswahl der geeigneten Verdichterart ist es nicht vorrangig, ob ein Kompressor “modern”, von Haus aus bereits schallgedämmt oder vielleicht schon beim Nachbarn installiert ist. Neben dem Anschaffungspreis sollte die wirtschaftlichste Verdichterart aus-gewählt werden.
• Bei gleichmäßigem Druckluftbedarf bietet sich ein Kompressor an, der auch ständig im Lastlauf betrieben wird, also ein Schraubenkompressor.
• Bei stark schwankendem Druckluftbedarf bietet sich ein Kompressor an, der im Aussetzbetrieb ohne Leerlaufkosten arbeitet, also ein Kolbenkompressor.
Darüber hinaus sollte eine Kombination beider Verdichtersysteme mit dem Schraubenkompressor als Grundlast und dem Kolbenkompressor als Spitzenlast mit in die Überlegungen einbezogen werden.
Der zweite Teil (im nächsten BM) wird sich ausführlich mit der Thematik “Ölfreie oder ölgeschmierte Verdichtung” auseinandersetzen.
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Schallmessung in der Praxis: Michael Fuchs (r.) und Simon Holzer bei raumakustischen Messungen in einem Objekt (Friseursalon Max in Wallersdorf). Foto: Barbara Kohl, Kleine Fotowerkstatt
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