Verdichter
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Ein Verdichter (Kompressor) ist eine Fluidenergiemaschine, die zum Komprimieren von Gasen Verwendung findet.
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[Bearbeiten] Grundlagen
Verkleinert man das Volumen eines Gases, so spricht man von Verdichten bzw. Komprimieren. Entsprechende Geräte heißen Verdichter oder Kompressoren. Bei Verdichtungsvorgängen wird ein vorhandenes Ansaugvolumen V1 mit dem Betriebsdruck p1 zu einem kleineren Volumen V2 zusammengepresst. In dem kleineren Volumen V2 herrscht ein erhöhter Druck p2.
Für Verdichtungsvorgänge gilt bei konstant bleibender Temperatur das Boyle-Mariottesche Gesetz.
Bei der Anwendung dieses Gesetzes ist darauf zu achten, dass p1 und p2 absolute Drücke sind. Alle Druckangaben bei pneumatischen Anlagen beziehen sich jedoch auf den Überdruck Pe gegenüber dem atmosphärischen Druck. Andernfalls werden Druckangaben besonders gekennzeichnet.
- Druckangaben in der Pneumatik beziehen sich auf Überdruck
- Druckmessgeräte in der Pneumatik sind auf Überdruck eingestellt
[Bearbeiten] Bauformen
Es werden grundsätzlich zwei Funktionsweisen Unterschieden. Zum einen der Turboverdichter, der bei grossen Volumenströmen eingesetzt wird, zum anderen die Kolbenverdichter, die bei kleinem Durchsatz Verwendung finden.
Bei Kolbenverdichtern, die nach dem Verdrängerprinzip arbeiten, wird ein Volumen gekapselt, verdichtet und wieder ausgestoßen. Diese Verdichter arbeiten zyklisch und zeichnen sich durch geringe Volumenströme und hohe Druckverhältnisse aus.
- Flüssigkeitsringverdichter
- Hubkolbenverdichter
- ionischer Verdichter (ionic compressor (Linde))
- Lamellenverdichter
- Rotorverdichter
- Labyrinth-Kolben-Verdichter
- Schraubenverdichter
- Roots-Gebläse
- Scrollverdichter ("VW G-Lader")
[Bearbeiten] Schraubenverdichter
Der Rotationsverdichter gehört zu den rotierenden, zweiwelligen Verdrängerverdichtern mit innerer Verdichtung. Er zeichnet sich durch einfachen Aufbau, kleine Abmessungen, geringe Masse, gleichmäßige, pulsationsfreie Förderung, ruhigen Lauf und das Fehlen von oszillierenden Massen und Steuerorganen aus.
Aus der Obergruppe Rotationsverdichter stammen die Schraubenverdichter ab. Schraubenverdichter gehören zu der Gruppe der Rotationsverdichter.
[Bearbeiten] Historie
Die Idee zum Bau eines Schraubenverdichters entstand schon im Jahre 1878, konnte jedoch wegen der technischen Schwierigkeiten bei der Herstellung nicht realisiert werden. Etwa ein halbes Jahrhundert später, im Jahre 1930, hatte man dann die fertigungstechnischen Voraussetzungen dafür, um die komplizierte Schraubengeometrie herzustellen. Einem schwedischen Ingenieur namens Alfred Lysholm gelang es den ersten Schraubenkompressor der Welt herzustellen und erfolgreich einzusetzen. Anfänglich konnte sich der Kompressor jedoch gegenüber dem gängigen Kolbenkompressor nicht durchsetzten. Die internen Verluste an den Schrauben waren zu groß, um von einem effektiven und vor allem einer Alternative dem Kolbenkompressor zu sprechen. Wiederum 40 Jahre mussten vergehen bis dann endlich der entscheidende Punkt in der Verbesserung des Wirkungsgrades gefunden wurde. Eine Öleinspritzung in die Kompressorstufe senkte die Verlustrate erheblich und dient dem Kompressorblock gleichzeitig als Kühlung. Außerdem konnten dann statt der bisher gängigen Gleitlager, Wälzlager eingesetzt werden. Insgesamt führte diese Erkenntnis zu sehr einfach gebauten, aber dennoch robusten Verdichtern. Schraubenverdichter haben sich in der Technik bewährt und bilden ca. die Hälfte aller laufender Kompressoren zur heutigen Zeit.
[Bearbeiten] Funktionsweise
Zwei parallel angeordnete, mechanisch zwangsgekoppelte Wellen, mit, ineinander greifender, schraubenförmiger Verzahnung sind das Herz dieser Anlage. An der Wälzlinie zwischen den Wellen ist der Gasdurchgang mechanisch (durch die notwendiger Weise präzise Fertigung der Zahnung) verschlossen. Das Kompressionsmedium befindet sich in den Zahngängen und wird von der Gehäusewandung darin gehalten. Es wird in Achsrichtung gefördert. An den beiden Stirnseiten befinden sich Steuerschlitze für Ein- (Saugseite) und Auslass (Druckseite). Die Wellenlänge, Steigung der Spiralen und die Steuerschlitze müssen so angepasst sein, dass kein direkter Durchgang von der Druck- zur Saugseite besteht, also kein Rückfluss entstehen kann. Der geförderte Massenstrom ist von den Verlusten abgesehen, drehzahlabhängig.
Das Medium füllt auf der Saugseite einen Zahngang je Welle, der sich beim Weiterdrehen saugseitig am Abwälzpunkt verschließt. Er bildet nun um die Welle, spiralförmig einen Luftschlauch. Bei weiterer Drehung wird er befördert. Ans druckseitige Ende transportiert, öffnet die Mechanik den Schlauch wieder, das Medium wird durch das Weiterwälzen der Verzahnung aus der Maschine gefördert.
Wird eine weitgehend impulslose Verdichtung von den folgenden Anlagen verlangt, muss im Verdichter schon vorkomprimiert werden. Dazu wird das Gas nicht einfach hinter dem Verdichter freigegeben. Dem sich öffnenden Zahngang auf der Druckseite wird deshalb eine Wand entgegengestellt. Beim Weiterdrehen der Welle verkleinert sich das Volumen unseres Luftschlauchs, da er quasi gegen die Wand fördert. Es wird verdichtet. Nun kann je nach verlangtem Druck früher oder später dieser Luftschlauch durch einen Steuerschlitz freigegeben werden. Früher, bzw kleinerer Winkel bedeutet dabei eine geringere Verdichtung, später bzw. größerer Winkel, eine höhere Verdichtung.
[Bearbeiten] Turboverdichter
Beim Turboverdichter wird durch einen rotierenden Läufer nach den Gesetzen der Strömungsmechanik dem strömenden Fluid Energie zugesetzt. Diese Bauart arbeitet kontinuierlich und zeichnet sich durch geringe Druckerhöhung pro Stufe und hohen Volumendurchsatz aus. Radial- und Axialverdichter sind die beiden Hauptbauarten für Turboverdichter. Beim Axialverdichter strömt das zu komprimierende Gas in paralleler Richtung zur Achse durch den Verdichter. Beim Radialverdichter strömt das Gas axial in das Laufrad der Verdichterstufe und wird dann nach außen (radial) abgelenkt. Bei mehrstufigen Radialverdichtern ist damit hinter jeder Stufe eine Strömungsumlenkung notwendig.
Eingesetzt werden diese Verdichter etwa im Abgasturbolader oder als Verdichter in Strahltriebwerken. Hier erhöht sich der Druck jedoch nicht durch den sich verengenden Kanalquerschnitt,sondern vielmehr dadurch, dass der Zwischenraum zwischen den Schaufeln eines solchen Verdichters die Form eines Diffusors einnimmt. Hier steigt der Druck und die Temperatur, während die Geschwindigkeit sinkt. Im sich drehenden Teil einer Verdichterstufe (Laufrad, Rotor) wird der Luft die für den weiteren Druckaufbau nötige kinetische Energie wieder zugeführt.
[Bearbeiten] Transsonischer Verdichter
Unter einem transsonischen Verdichter versteht man einen Turboverdichter axialer oder radialer Bauart, in dem sowohl sub- als auch supersonische Strömungen existieren, das bedeutet dass mindestens lokal die Strömungsgeschwindigkeit Überschall erreicht. Der Vorteil transsonischer Verdichter sind die hohe Leistungsdichten, was insbesonders bei Flugzeugtriebwerks-Verdichter wichtig ist, da so das System sehr kompakt ist. Diese Verdichter sind durch komplexe Systeme von Verdichtungsstößen gekennzeichnet, die die Auslegung und den stabilen Betrieb des Verdichters erheblich erschweren. Nachteilig sind auch die hohen Verluste, die mit den Verdichtungsstößen einhergehen und welchen nur durch komplexe dreidimensionale Beschaufelungen und ausgefeilte Profile begegnet werden kann. Üblicherweise sind die ersten Stufen des Niederdruckverdichters bei Triebwerken transsonisch ausgelegt wegen des grossen Durchmessers der Rotoren und der Drehzahlgleichkeit aller auf der Welle befindlicher Aggregate.
[Bearbeiten] Weitere
In der Kältetechnik unterscheidet man zusätzlich noch nach
- Vollhermetische Verdichter - der Motor und der Kompressor sitzen in einem gekapselten Gehäuse
- Halbhermetische Verdichter - der Motor ist an das Kompressorgehäuse angeflanscht
- offene Verdichter - der Verdichter wird über Riemen, Getriebe oder Zahnräder angetrieben
[Bearbeiten] Liefermenge und Betriebsdruck
Stationäre Verdichter werden meist durch Elektromotoren angetrieben. Bei fahrbaren Anlagen benutzt man zum Antrieb häufig Verbrennungsmotoren. Zur Kennzeichnung eines Verdichters dienen der erreichbare Druck und die Liefermenge. Die Liefermenge ist das je Zeiteinheit abgegebene Luftvolumen; sie wird bei kleinen Anlagen in Liter/min, sonst in m3/min angegeben. Leider auch häufig gebräuchlich - aber irreführend - ist die Angabe der (theoretischen) Ansaugleistung als Produkt aus Drehzahl und Hubvolumen. Sie sagt nichts über die tatsächliche Fördermenge aus, da dabei der volumetrische Füllungsgrad vernachlässigt wird. Pneumatische Anlagen arbeiten in der Regel mit einem Druck von 6 bar; als untere Grenze werden 3 bar und als obere 15 bar angegeben.
[Bearbeiten] Kenngrößen
- Liefermenge - Volumen der abgegebenen Luft je Zeiteinheit.
- Betriebsdruck - erreichbarer Überdruck.
- Druckverhältnis Π = p2 / p1 =Enddruck/Saugdruck
Um Verdichter verschiedener Bauart und Betriebspunkte besser vergleichen zu können, wird oft der Normvolumenstrom betrachtet. Dies ist der Volumenstrom des Verdichters, umgerechnet auf Normbedingungen. (Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit]
[Bearbeiten] Siehe auch
- Atemschutzkompressor
- Luftpumpe
- Motoraufladung
- Wasserstoffverdichter
- Gasgesetze
