Verdichter ist nicht gleich Verdichter

Jürgen Werthebach

Bei der technischen Auslegung von pneumatischen Förderanlagen kommt dem Projektingenieur nicht nur die Aufgabe zu, einen beliebigen Verdichter nach Volumenstrom und Druckdifferenz auszuwählen, er muss auch das Betriebsverhalten der Anlage unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Verdichter und Anlage beurteilen. Zunächst werden dazu die Unterschiede im Betriebsverhalten der heute in pneumatischen Förderanlagen eingesetzten Bauarten von Verdichtern betrachtet. Die Betrachtung beschränkt sich auf schmiermittelfrei und berührungslos verdichtende Systeme, die somit wartungsarm und praktisch verschleißfrei arbeiten und keine Verunreinigungen in die Förderanlage einbringen. Dabei handelt es sich in Anlagen mit Überdrücken bis ca. 2 bar meist um ein- bis vierstufige Seitenkanal-Verdichter, Roots-Gebläse oder trockenlaufende Klauen-Verdichter (Abb. 1).

Das Betriebsverhalten eines Verdichters wird im Wesentlichen durch seine Kennlinie charakterisiert, die den Volumenstrom in Abhängigkeit vom Gegendruck darstellt. Um die verschiedenen Funktionsprinzipien in Bezug auf deren Betriebsverhalten direkt miteinander zu vergleichen, ist es sinnvoll, die Kennlinien zu normieren. Das Saugvermögen des Verdichters wird dann nicht mehr absolut angegeben, sondern relativ zum Nennsaugvermögen ohne Gegendruck (Abb. 2). Mit Hilfe dieses Vergleichs lässt sich zu Beginn der Verdichterauswahl feststellen, welches Funktionsprinzip für die gegebene Förderaufgabe grundsätzlich geeignet ist.

Der Volumenstrom in einer Rohrleitung ist gleich dem Produkt aus der Strömungsgeschwindigkeit und dem Strömungsquerschnitt der Förderleitung. Die Geschwindigkeit ist demnach bei gegebenem Leitungsdurchmesser direkt proportional zum Volumenstrom. Damit lassen sich aus den Volumenstromkennlinien V(Dp) gemäß Abbildung 2 für bestimmte Werte von Nennsaugvermögen und Leitungsdurchmesser Geschwindigkeitskennlinien w(Dp) berechnen. Abbildung 3 zeigt auch die berechneten Werte für Verdichter mit einem Nennsaugvermögen von 300 m³/h bei einem Leitungsdurchmesser von 65 mm. Aus dieser Darstellung ist direkt ersichtlich, wie bei zunehmenden Widerständen oder Störungen in der Anlage die Strömungsgeschwindigkeiten abnehmen. Die Strömungsgeschwindigkeit hat wiederum direkten Einfluss auf den Förderzustand (Abb. 3). Bei den höheren Geschwindigkeiten von 25 bis 35 m/s beobachten wir in der Regel reine Flugförderung, bei der die Feststoffpartikel annähernd gleichmäßig über den Rohrquerschnitt verteilt in der Luftströmung schweben. Unterhalb von 20 m/s tritt gewöhnlich keine reine Flugförderung mehr auf. Einzelne Partikel fallen aus der Luftströmung aus und bewegen sich als Strähne am Rohrboden entlang. Ein weiteres Absinken der Geschwindigkeit mit weiterem Ausfallen von Feststoffpartikeln kann bis zur Verstopfung der Rohrleitung führen.

Bei sehr niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten von ca. 2 bis 6 m/s wird auch das Phänomen der Pfropfenförderung beobachtet. Hierbei schließen sich die Partikel lose zu einem Pfropfen zusammen, der den gesamten Rohleitungsquerschnitt ausfüllt. Dieser Förderzustand stellt sich aber nicht zwangsläufig ein, wenn die Geschwindigkeit der Strähnenförderung reduziert wird.

Die Betrachtung der Geschwindigkeitskennlinien mit Kenntnis der verschiedenen Förderzustände zeigt, dass zuverlässiges Leistungsvermögen und optimale Betriebssicherheit einer pneumatischen Förderanlage durch den Einsatz von Verdichtern mit möglichst flachen Kennlinien erreicht wird. Gemäß Abbildung 2 bietet für solche Anforderungen der Klauenverdichter die optimalen Voraussetzungen, da selbst bei größeren zusätzlichen Druckverlusten in der Anlage die Fördergeschwindigkeit weitestgehend aufrechterhalten wird.

Bestehen für einfache Förderaufgaben keine besonderen Anforderungen an den Kennlinienverlauf und spielen die Anschaffungskosten eine große Rolle, kommen ein- und zweistufige Seitenkanalgebläse zum Einsatz. In Bezug auf die Energiekosten ist diese Bauart jedoch am ungünstigsten. Zum Erreichen größerer Überdrücke bis 1 bar mit erheblich flacherer Kennlinie werden in Förderanlagen vielfach auch vierstufige Seitenkanalverdichter eingesetzt.

Die weit verbreiteten Roots-Gebläse werden in der pneumatischen Förderung für eine große Bandbreite von Volumenströmen verwendet. Diese Gebläse haben bei geringeren Druckdifferenzen einen sehr guten Wirkungsgrad, der jedoch bei zunehmendem Gegendruck stark abnimmt.

Wie die eingangs angestellten Überlegungen zeigen, bietet der Klauenverdichter mit seinen stabilen Kennlinien und Fördergeschwindigkeiten die maximale Betriebssicherheit in der Förderanlage. Diese Bauart deckt einen Druckbereich bis über 2 bar Überdruck ab, wobei ab 0,7 bar der Wirkungsgrad deutlich besser ist als der des Roots-Gebläses. Dies kann zu einer erheblichen Einsparung von Energiekosten führen. Die Drehzahlanpassung mittels Frequenzumformer stellt bei dieser Bauart ebenfalls kein Problem dar. Dies ist z. B. besonders wichtig bei Förderanlagen, bei denen im Chargenbetrieb unterschiedliche Schüttgüter gefahren werden, oder bei unterschiedlichen Rohrlängen. Auch die gezielte Anpassung der Fördergeschwindigkeit zum Zweck der Materialschonung lässt sich so realisieren.

Halle 10, Stand 317