PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2024
Eine seit mehr als 60 Jahren bestehende Fachzeitschrift mit Themen rund um Einsatz von Pumpen, Kompressoren und Komponenten.
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Leitartikel<br />
Schwingungen und Druckstöße aber<br />
auch Kavitation sind die Karies für<br />
Pumpen und auch andere Anlagenelemente.<br />
Die richtige Auswahl einer<br />
Pumpe hinsichtlich Nachhaltigkeit<br />
und Lebensdauer ist also eine Schlüsselaufgabe.<br />
Ein Druckstoß durchläuft eine Anlage<br />
mit Schallgeschwindigkeit (bei<br />
Wasser 1480 m/s) und wirkt in Rohren<br />
in alle Richtungen. Er hat eine große<br />
Kraft und greift nicht selten Sensoren<br />
an, dehnt Rohrleitungen oder deformiert<br />
Flächen. Dies führt oft zu kleinen<br />
Relativbewegungen zwischen<br />
Bauteilen, die an der Struktur nagen<br />
können. Auch alle anderen Pumpen,<br />
einschließlich Kreiselpumpen, pulsieren,<br />
dies kann durchaus unter manchen<br />
Bedingungen heftig ausfallen,<br />
wird aber meist toleriert. Wollen wir<br />
die Haltbarkeit von Pumpen verbessern,<br />
müssen wir Schwingungen und<br />
Stöße optimal dämpfen und natürlich<br />
Kavitation vermeiden. Solche Dämpfer<br />
gibt es leider noch nicht, daher ist<br />
dies eine ingenieurstechnische Herausforderung.<br />
Bei Kompressoren hängt der<br />
Wirkungsgrad stark von der Kühlung<br />
während des gesamten Verdichtungsprozesses<br />
ab. Wenn zusätzlich<br />
Reibung durch Dichtungen vorhanden<br />
ist, entsteht eine polytrope Verdichtung,<br />
bei der das Gas über die<br />
Kompressionserwärmung hinaus zusätzlich<br />
erhitzt wird. Je heißer das<br />
Gas, desto mehr Energie wird für die<br />
Förderung benötigt. Auch die Erwärmung<br />
des Gases beim Ansaugen in<br />
den Arbeitsraum mit heißen Wänden<br />
ist störend, da dadurch weniger<br />
angesaugt wird. Im Vergleich zur isothermen<br />
Kompression, bei der im Arbeitsraum,<br />
am besten mit Flüssigkeit<br />
gekühlt werden muss, benötigt die<br />
polytrope Kompression mindestens<br />
doppelt so viel Energie. Die Auswahl<br />
der richtigen Kühlung oder eine perfekte<br />
Abtrennung von Kühlmitteltröpfchen<br />
aus dem internen Kühlmittel,<br />
sind daher die wichtigsten<br />
ingenieurstechnischen Herausforderungen<br />
bei Kompressoren. Je nach<br />
Gastyp können auch große Leckagen<br />
auftreten. Je kleinmolekularer ein<br />
Gas ist, desto mehr. Beispielsweise<br />
ist der Wasserstoff heute viel diskutiert,<br />
schmiert aber extrem schlecht<br />
und wird bei der Entspannung am<br />
Saughubbeginn wärmer, statt kälter.<br />
Besonders hier empfiehlt sich<br />
eine Flüssigkeitsdichtung, erfordert<br />
aber natürlich eine Gasreinigung auf<br />
der Druckseite. Angesichts des Energieverlusts<br />
durch Wärme und Leckage<br />
im Bereich von Faktor zwei dürfte<br />
sich eine Gasreinigung auf der Druckseite<br />
schnell amortisieren.<br />
Hinzu kommt, dass der Energiebedarf<br />
für einen Zieldruck steigt, je<br />
niedriger der reale Saugdruck ist. Der<br />
Druckverlust sollte auf der Saugseite<br />
daher extrem minimiert werden. Dasselbe<br />
gilt für die Reibung der Dichtungen.<br />
Die Fläche unter den Kurven<br />
und Linien in Abb. 2 ist die notwendige<br />
Kompresssionsenergie.<br />
Abb. 2: Kompressionsarten bei Kompressoren: d1 isotherm; d2 polytrop, adiabat mit<br />
effizienter Kühlung; d3 adiabat oder isentrop; d4 polytrop mit zusätzlichem Wärmeeintrag<br />
z. B. von der Dichtungsreibung.<br />
Bei Kompressoren hängt der Wirkungsgrad<br />
von den folgenden Faktoren<br />
ab:<br />
1) Ohne wirksamen Kühleffekt entsteht<br />
eine adiabate Verdichtung.<br />
Falls dann noch eine relativ große<br />
Dichtungsreibung am Kolben hinzukommt,<br />
haben wir eine polytrope<br />
Kompression. Im Vergleich zur<br />
isothermen Verdichtung ist der<br />
Energieverbrauch 150 % höher. Je<br />
heißer das Gas am Ende der Förderung,<br />
desto mehr Förderenergie.<br />
2) Ebenfalls störend ist die Gaserwärmung<br />
beim Ansaugen, durch die<br />
Kompressionserwärmung entstehen<br />
heiße Wände im Arbeitsraum.<br />
Das angesaugte Gas wird beim<br />
Einsaugen erwärmt und dehnt sich<br />
aus. Dadurch wird deutlich weniger<br />
angesaugt.<br />
3) Jeder Kolbenkompressor klassischer<br />
Bauart hat einen Schadraum.<br />
Dies ist der beim oberen Totpunkt<br />
verbleibende Raum, der beim Ansaughub<br />
erst entspannt werden<br />
muss, bevor das eigentliche Ansaugen<br />
beginnen kann. Beim Fördern<br />
von Wasserstoff wird dieser<br />
beim Entspannen zusätzlich warm.<br />
4) Das Ansaugen mit Druckverlust bewirkt,<br />
dass der Ansaugdruck niedriger<br />
ist als der statische Ansaugdruck.<br />
Das ist in der Regel nicht<br />
viel, aber es wirkt sich trotzdem<br />
negativ aus, da die Kompression<br />
beginnend bei niedrigerem Druck<br />
die meiste Energie pro Druckstufe<br />
verbraucht.<br />
5) Auch auf der Druckseite entsteht<br />
ein Druckverlust, dieser findet<br />
aber im oberen Druckbereich statt<br />
und ist daher der kleinste Verlust<br />
in dieser Liste.<br />
6) Leckage am Kolben: Je nach Gastyp<br />
und dessen Schmiereigenschaften<br />
erleidet die Dichtung merklichen<br />
Verschleiß und damit auch merklichen<br />
Leckstrom. Bei Wasserstoff<br />
sind beide besonders hoch, da<br />
dieser nicht schmiert. Daher ist<br />
hier auch viel Forschungsarbeit im<br />
Gange.<br />
7) Bei Kompressorventilen ist bei<br />
schlecht schmierenden Gasen (z. B.<br />
Wasserstoff) zu erwarten, dass<br />
beim Schließen der Ventile bis zur<br />
finalen Endlage bereits im Kontakt<br />
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PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN <strong>2024</strong>