Verdichter

Teil_eines_Großkompressors.jpg]] Ein Verdichter (Kompressor) ist eine Fluidenergiemaschine, die zum Komprimieren von Gasen Verwendung findet.

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

Bauformen

Baustellenkompressor_ca_1910.jpg | Dragster Kompressor 2005.jpg 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.

Hubkolbenverdichter
Lamellenverdichter
Rotorverdichter
Labyrinth-Kolben-Verdichter
Schraubenverdichter
Roots-Gebläse
Scrollverdichter ("VW G-Lader")

Schraubenverdichter

arbweise.gif 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.

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.

Funktionsweise

In einem Schraubenkompressorblock (siehe Abbildung) sind zwei Rotoren, der angetrieben Hauptrotor und der Nebenrotor, parallel in einem Gehäuse angeordnet und stehen miteinender im Eingriff. Wie bei einem Zahnradpaar drehen sich die Rotoren in gegenläufiger Richtung. Durch unterschiedliche Zähnezahlen drehen sich diese mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten. Über eine im Gehäuse angeordnete Ansaugöffnung strömt das zu komprimierende Gas in den Zahnlückenraum.(1)

Hohlräume zwischen den beiden Rotoren und dem Gehäuse schließen bei Überstreichung der Einlassteuerkante ein bestimmtes Gasvolumen ein.(2)

Dadurch ist der Arbeitsraum geschlossen und die Verdichtung beginnt. Bedingt durch die unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten der Rotoren wird dieses eingeschlossenen Volumen kontinuierlich kleiner. Bei erreichen der Auslasssteuerkante ist der Verdichtungsprozess beendet.(3) Durch das Weiterdrehen der Schrauben wird das Medium unter Druck geschoben.(4) Bei dem kompletten Verdichtungsprozess findet ein ruhiger und schwingungsarmer Lauf ohne freie Massenkräfte statt. Dies sind auch die entscheidenden Vorteile gegenüber einem Kolbenverdichter.

Turboverdichter

Verdichterkennfeld.PNG 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 nur gering 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.

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

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.

Kenngrößen

Liefermenge - Volumen der abgegebenen Luft je Zeiteinheit.
Betriebsdruck - erreichbarer Überdruck.
Druckverhältnis $\Pi=p_2/p_1$ =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]

Siehe auch

Weblinks

Strömungslehre | Strömungsmaschine | Gastechnik

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