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Verdichter

01. Was sind Verdichter (Kompressoren) und in welche zwei Gruppen werden sie eingeteilt?

Verdichter (auch: Kompressoren) sind Arbeitsmaschinen, die Gase fördern bzw. zu hohen Drücken (rd. 400 bar) verdichten. Sie werden nach ihrem Funktionsprinzip in zwei Gruppen eingeteilt:

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02. Welche Verdichtertechnik wird heute eingesetzt?

In der chemischen Industrie, im Maschinen- und Bergbau, in Hüttenwerken sowie in der Strom- und Wärmeerzeugung müssen Gase, Luft und Dämpfe mit unterschiedlichen Drücken verdichtet, abgesaugt oder gefördert werden.

Vor der Jahrhundertwende erfolgten diese Vorgänge ausschließlich mit Kolbenmaschinen, die auch heute noch für kleine Förderströme und hohe Drücke benutzt werden.

Für große Förderströme werden heute fast ausschließlich Turboverdichter verwendet, die von E-Motoren aber auch von Gasturbinen angetrieben werden.

03. Was versteht man unter isentroper und polytroper Verdichtung?

Theoretisch würde die Kompression gasförmiger Stoffe im Verdichter ohne Wärmeaustausch nach außen und ohne Reibung im „Inneren“ erfolgen. Man spricht von isentroper Verdichtung.

In strömenden Gasen tritt jedoch innere Reibung auf und zusätzlich reibt sich das Gas an den Wandungen. Des Weiteren entstehen Radreibungsverluste durch Reibung zwischen den Laufradaußenwänden und der Gashülle. Da die Reibungsenergie in Wärme umgesetzt wird, spricht man von polytroper Verdichtung.

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Bei der isentropen Verdichtung wird keine Wärme nach außen abgeführt. Die Wärme bleibt in der verdichteten Luft und erhöht deren Temperatur.

04. Was ist eine isothermische Verdichtung?

Bei einer isothermischen Verdichtung wird die entstehende Wärme durch Kühlung des Zylinders mittels eines Kühlsystems abgeführt, sodass die Temperatur der Verdichterluft konstant bleibt (nicht realisierbarer Idealfall).

Bei hohen Druckverhältnissen wird die Verdichtung in mehrere Stufen unterteilt. Die Verdichtungsarbeit kann durch eine Zwischenkühlung, die die Gastemperatur vor der nächsten Stufe auf etwa die Ansaugtemperatur der ersten Stufe bringt, verringert werden.

05. Was sind Kolbenverdichter?

Kolbenverdichter sind Arbeitsmaschinen, die durch Bewegung eines Kolbens oder mehrerer Kolben Gase aus einem Raum niedrigen Druckes in einen Raum höheren Druckes fördern. Im mechanischen Aufbau und in ihrer Wirkungsweise ähneln sie den Verdrängerpumpen.

Während Pumpen weitgehend inkompressible Medien (Flüssigkeiten) fördern, sind die Fördermedien der Verdichter kompressibel (Gase), sodass eine Drucksteigerung des Fördermediums erfolgen kann.

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Die Arbeitsweise des Kolbenverdichters ist im Prinzip eine Umkehrung der Arbeitsweise des Kolbenmotors.

  • Arbeitsweise eines Kolbenverdichters:

    Schema eines einstufigen Kolbenverdichters

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    • Beginnt die Kolbenbewegung in der oberen Totpunktlage, so sind beide Ventile (1 und 2) geschlossen.

    • Bei abwärts gehendem Kolben (5) öffnet sich bei einem bestimmten Unterdruck im Zylinder (4) das Saugventil (1) und lässt Umgebungsluft über einen Filter in den Zylinder einströmen.

    • Sobald der Kolben nach Erreichen des unteren Totpunktes seine Bewegung umkehrt, schließt das Saugventil.

    • Ist durch Verdichtung der Luft im Verdichtungsraum (3) der gewünschte Enddruck erreicht, so öffnet das Druckventil (2) und die Luft strömt bei einstufiger Verdichtung in die Anlagenleitung oder bei mehrstufiger Verdichtung nach Rückkühlung in die nächste Stufe.

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Zum Ausgleich der Massenkräfte werden die Kolbenverdichter in der Regel mit mehreren Zylindern gebaut. Hierfür werden Boxer-, L-, V- oder W-Anordnungen gewählt.

06. Was sind Drehkolbenverdichter (Umlaufkolbenverdichter) und wie ist ihre Wirkungsweise?

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Drehkolbenverdichter werden hier nur kurz in ihrem prinzipiellen Aufbau und ihrer Wirkungsweise behandelt.

Drehkolbenverdichter haben einen oder mehrere Kolben, die sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit in einem Gehäuse drehen und durch ihre besonderen Formen eine Verdrängungswirkung auf das zu fördernde Gas ausüben. Da die Verdränger eine kreisende Bewegung ausführen, sind sie für hohe Drehzahlen geeignet.

Vorteile:

  • Ventile und Kurbeltrieb sind nicht erforderlich

  • geringes Gewicht.

Nachteile:

  • hoher Verschleiß an den dichtenden Stellen

  • dadurch bedingte, hohe Undichtigkeitsverluste.

Die Drehkolbenverdichter werden deshalb vorwiegend für geringe Drücke verwendet.

Man unterscheidet:

  • Einzellenverdichter, z. B.:

    • Zellenverdichter

    • Wasserringverdichter.

  • Zweiwellenverdichter, z. B.:

    • Rootsgebläse

    • Kreiskolbengebläse

    • Schraubengebläse.

07. Wie ist die Wirkungsweise eines Rootsgebläses?

Das Rootsgebläse wirkt nach dem gleichen Prinzip wie die Zahnradpumpe. Es werden zwei doppelflügelige Drehkolben verwendet, die die Form einer Lemniskate (8-Form) haben. Die Flügel – durch außenliegende Steuerzahnräder gegenläufig bewegt – dichten gegen die Gehäusewand und gegenseitig (ohne sich dabei zu berühren) mit geringstem Spiel ab.

Durch die sich aufeinander, abwälzenden Drehkolben wird das zwischen ihnen und dem Gehäuse eingeschlossene Gas von der Einlass- zur Auslassseite gefördert.

Da sich während dieses Vorganges das eingeschlossene Volumen nicht ändert, findet im Gehäuse keine Verdichtung statt. Öffnet sich die Förderkammer zur Druckseite hin, dann entsteht durch Rückexpansion aus der Druckleitung ein Druckausgleich, wobei der weitergehende Kolben das Gas aus der Förderkammer in die Druckleitung drängt.

Schema eines Rootsgebläses

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08. Für welche Zwecke werden Rootsgebläse eingesetzt?

Für den Industriebedarf, z. B.:

  • Gießereien

  • chemische Industrie

  • Papierindustrie

  • Textilindustrie

  • Fahrzeugindustrie (→ Kompressormotoren).

09. Was sind Turboverdichter?

Turboverdichter gehören zu den thermischen Turbomaschinen. Sie arbeiten in der Umkehrung des Prinzips einer Turbine, ähneln in ihren Bauteilen und ihrem Aufbau der Kreiselpumpe und fördern das jeweilige Medium ebenfalls durch Übertragung kinetischer Energie in Form eines Drallimpulses.

Im Unterschied zur Pumpe wird das Gas im Turboverdichter komprimiert. Das heißt, bei gleichem Massenstrom, ist der Volumenstrom am Austritt geringer.

10. Wie ist der Aufbau eines Turboverdichters?

Ein Turboverdichter hat

  • ein Gehäuse mit entsprechenden Leiteinrichtungen,

  • eine Welle mit mindestens

    • einem Laufrad mit Laufschaufeln bzw.

    • einer direkt auf der Welle aufgezogenen Laufschaufelreihe.

11. Welche Hauptbauarten gibt es bei Turboverdichtern?

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  • Axialverdichter

    sind Arbeitsmaschinen, die Gase aus einem Raum niedrigen Drucks in einen Raum höheren Drucks fördern, indem sie die Geschwindigkeitsenergie der Gase in Druckenergie umsetzen. Hierbei handelt es sich um den umgekehrten Arbeitsablauf der Dampfturbinen.

    Beim Axialverdichter strömt das zu komprimierende Gas in paralleler Richtung zur Welle durch den Verdichter.

  • Radialverdichter

    ähneln in ihrem Aufbau den Kreiselpumpen. Das zu fördernde Gas wird vom rotierenden Schaufelrad in axialer Richtung angesaugt und in den Schaufeln radial umgelenkt. Durch die Zentrifugalkraft wird das Gas nach außen gedrückt, wodurch der Druck im Laufrad statisch ansteigt. Er wird mit zunehmendem Radius größer. Das Gas tritt in den Leitring. In diesem wird die im Laufrad erzeugte kinetische Energie des Gases in Druckenergie umgesetzt.

    Beim Radialverdichter strömt das Gas axial in das Laufrad der Verdichterstufe und wird dann nach außen (radial) abgelenkt.

    Bei mehrstufigen Radialverdichtern ist hinter jeder Stufe eine Strömungsumlenkung notwendig.

    Allgemein erzeugen Axialverdichter höhere Volumenströme, während Radialverdichter höhere Drücke erzeugen.

  • Kombinierte Bauarten

    saugen mit ihren Axialstufen große Volumenströme an, die in den anschließenden Radialstufen auf hohe Drücke komprimiert werden. Während hier meist einwellige Maschinen zum Einsatz kommen, sind beim Getriebeverdichter die einzelnen Verdichterstufen um ein Getriebegehäuse gruppiert, wobei mehrere Wellen, die jeweils ein oder zwei Laufräder tragen, von einem großen Antriebszahnrad bewegt werden.

12. Für welche Zwecke werden Turboverdichter eingesetzt?

Turboverdichter kommen zum Einsatz, wenn große Volumenströme verdichtet werden sollen wie zum Beispiel:

  • in Gasturbinen und Strahltriebwerken

  • als Hochofen- und Stahlwerksgebläse

  • in Anlagen zur Luft- bzw. Gasverflüssigung

  • als Luft- oder Nitrose-Gas-Kompressor

  • in Salpetersäure-Anlagen

  • in petrochemischen Anlagen und Raffinerien

  • zur Druckerhöhung in Gas-Pipelines

  • als Vakuumgebläse in der Papierindustrie.

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Die Verdichtung im Kompressor verläuft annähernd isentrop, sodass sich auch die Temperatur des Gases erhöht. Durch Kühlung des Volumenstromes zwischen den einzelnen Stufen lässt sich der Wirkungsgrad erhöhen, da der Prozess dann annähernd isotherm verläuft.

13. Wie erfolgt die Schmierung an Verdichteranlagen?

Überwiegend erfolgt bei allen Verdichterbauarten eine Druckumlaufschmierung. Ist ölfreie Luft erforderlich, werden so genannte Trockenläufer eingesetzt. Die Kühler werden meist als Glatt- oder Rippenrohrwärmetauscher gebaut, wobei i. d. R. das Kühlwasser durch Rohre strömt.