Gase ölfrei verdichten

Dipl.-Ing. Ralph Held

Die Metallmembranverdichter von Sera sind oszillierende Verdrängermaschinen, bei denen die Hubbewegung des Kolbens hydromechanisch auf die gasberührte Membrane übertragen wird. Saug- und Druckventil öffnen im Hubrhythmus der Membrane. Die Membrane wird zwischen Ventilkopf und Lochplatte eingespannt und mit Hilfe von O-Ringen im Randbereich abgedichtet. Damit auch höchste Drücke und die geforderte Förderleistung erreicht werden, muss sich die Membrane am Ende eines jeden Druckhubes an die Kalotte des Ventilkopfes anlegen. Um die Einhaltung dieser Forderung sicherzustellen, ist daher zwischen Kolben und Membrane immer ein gleichbleibendes und ausreichendes Hydraulikflüssigkeitsvolumen erforderlich. Hierfür sorgen die Aus-gleichspumpe und ein Druckregulierungsventil. Mit jeder Umdrehung der Kurbelwelle fördert die Ausgleichspumpe ein definiertes Volumen in den Hydraulikbereich. Legt sich die Membrane zum Ende des Druckhubes an den Ventilkopf an, so wird eine kleine Menge an überschüssiger Hydraulikflüssigkeit über das Druckregulierungsventil zur Kolbenbuchse und von dort ins Kurbelgehäuse zurückgeführt. Diese Rücklaufmenge hat nicht nur die Aufgabe Kolben und Lager zu schmieren, sondern trägt auch zur Kühlung des Verdichters bei.

Die Membrane sorgt dafür, dass kein Gas nach außen gelangen kann, umgekehrt aber auch keine Stoffe in den Gasbereich eindringen können. Damit auch im Falle eines Membranbruches kein Öl ins Gas gelangt, werden die aus einem speziellen rostfreien Stahl hergestellten Membranen immer mehrlagig ausgeführt. Die Membrane ist so aufgebaut, dass sich zwischen der gas- und der ölseitigen Membrane eine so genannte Signalmembrane befindet. Über diese Signalmembrane wird im Falle des Bruches der öl- oder gasseitigen Membrane über ein speziell konstruiertes Verbindungssystem ein Druck an dem für die Membranbruchsignalisierung vorgesehenen Drucksensor aufgebaut. Da ausgeschlossen werden kann, dass öl- und gasseitige Membrane gleichzeitig brechen, ist also auch bei der Beschädigung des Hauptverschleißteiles – der Membrane – sichergestellt, dass weder Gas nach außen oder ins Hydrauliksystem noch Öl ins Gas gelangen kann. Die nahezu vollkommene Leckagefreiheit von Metallmembranverdichter äußert sich in einer Leckrate von 10-8 bis 10-3 mbar·l/s.

Die Sera-Membranverdichter sind in ein- bis vierstufigen Ausführungen lieferbar. Man unterscheidet im Wesentlichen drei Bauformen: Bei der vertikalen Bauweise ist der Kolben – wie der Name schon sagt – vertikal eingebaut und die Membrane befindet sich in einer waagerechten Einbaulage. Die Kompressoren der Typenreihe MV 2…IIK bis MV 4…IIK zeichnen sich vor allem durch ihre platzsparende Konstruktion und ihre Wartungsfreundlichkeit gerade beim Membranwechsel aus. Sie kommen in der Regel immer dann zum Einsatz, wenn der Ansaugdruck >900 mbar ist.

Bei den Verdichtern der Typenreihe MV 5… mit horizontal eingebautem Kolben befindet sich die Membrane in einer senkrechten Einbaulage. Diese Verdichter werden vorzugsweise dann eingesetzt, wenn Gas aus einem Vakuum angesaugt werden soll. Ansaugdrücke von 300 mbar und niedriger sind möglich. Die horizontale Bauweise dieser Kompressoren hat den Vorteil, dass in der Hydraulikflüssigkeit gelöste Luft aufgrund des Unterdruckes sich an keiner Stelle im Hydraulikraum sammeln kann, sondern direkt über das Druckregulierungsventil ausgetragen wird. Dadurch werden Leistungsreduzierungen aufgrund möglicher Gasansammlungen im Hydraulikraum ausgeschlossen. Die Kompressoren der Sera-Typenreihe MV 5…II mit V-Bauweise sind zweistufig und werden oft für kleine Förderleistungen eingesetzt. Sie eignen sich aufgrund ihrer kompakten Bauweise vor allem für den mobilen Einsatz auf Fahrzeugen, werden aber auch häufig im Labor eingesetzt.

Die Metallmembranverdichter können im Prinzip für nahezu alle Verdichtungsaufgaben eingesetzt werden. Die Ausführung der Maschinen hängt dabei in erster Linie von den Druckverhältnissen (Eingangs-/Ausgangsdruck) sowie den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Gases ab. Neben wichtigen anderen Kenngrößen spielt die Dichte des zu verdichtenden Gases eine große Rolle bei der Dimensionierung der Ventile. Für Gase höherer Dichte (z. B. Argon, Xenon, Chlor, Schwefelhexafluorid) werden Ventile mit größeren freien Querschnitten benötigt als das für leichtere Gase (z. B. Helium, Wasserstoff) der Fall ist. Demzufolge sind auch die Schadraumvolumina von Verdichtern für Gase höherer Dichte deutlich höher. Das wiederum hat neben anderen Gründen zur Folge, dass die Verdichtungsverhältnisse dieser Maschinen in der Regel deutlich niedriger sind. Sind bei Wasserstoffverdichtern Verdichtungsverhältnisse von bis 1 : 12 möglich, so fallen diese bei Edelgasen wie z. B. Argon mit 1 : 4 bis 1 : 5 deutlich niedriger aus. D. h., dass Verdichter mit gleichen Leistungsdaten (Q, p, T) aufgrund der Gaseigenschaften völlig unterschiedlich ausgeführt sein können.

Die Überwachung aller relevanten Betriebs- und Maschinenparameter sind die Basis für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb der Membrankompressoren. Ist das Messen der Gasdrücke mit relativ einfachen Sensoren möglich, so stellt der Öldruck deutlich höhere Ansprüche an die in Frage kommenden Messinstrumente. Hier müssen vor allem die aus der oszillierenden Fördercharakteristik resultierenden Druckspitzen genau erfasst werden. Der Öldruck ist neben dem Zustand der Ventile ein wesentlicher Faktor für das Erreichen des gewünschten Förderstromes und die augenblickliche Belastung des Kompressors. Temperatur- und Kühlwasserdurchflussüberwachungen erfassen weitere wichtige Betriebsdaten. Neben der Flüssigkeitskühlung sorgen die relativ großen Oberflächen für einen angemessenen Wärmehaushalt des Verdichters. Bei relativ kleinen Verdichtungsverhältnissen kann in bestimmten Fällen auf die Flüssigkeitskühlung verzichtet werden. Für Anwendungsfälle, wo z. B. Pufferbehälter auf einem bestimmten Druckniveau gehalten werden müssen, ist es wichtig, dass der Kompressor gegen den vollen Gegendruck anlaufen kann, ohne dass aufwändige Maßnahmen zur Druckentlastung während der Anlaufphase vorgenommen werden müssen. Die Fähigkeit der Maschine, gegen den vollen Gegendruck gestartet werden zu können, kommt dem Betreiber natürlich auch bei anderen Anwendungen entgegen.

Das hohe Anpassungsvermögen von Sera-Membranverdichtern an die Anforderungen des Betreibers wird u. a. dadurch dokumentiert, dass die Förderleistung der Maschinen bedarfsgerecht geregelt werden kann. Zu diesem Zweck werden automatische Bypassregelungen installiert, mit deren Hilfe ein mehr oder weniger großer Teil des Gases auf die Saugseite zurückgeführt wird. Eine weitere und aus maschinen- und regelungstechnischer Sicht bessere Lösung ist die Drehzahlsteuerung des Antriebsmotors mit Hilfe eines Frequenzumrichters. Der einzige Nachteil der Drehzahlregelung des Antriebs besteht darin, dass hier nur ein Regelbereich von 20 bis 100 % abgedeckt werden kann – was aber in den meisten Fällen völlig ausreicht. Die gemessenen Betriebsparameter werden von einer speicherprogrammierbaren Steuerung ausgewertet und es werden im Störfall entsprechende Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet. Im Falle eines signalisierten Membranbruches wird der Verdichter z. B. sofort automatisch abgeschaltet.

Beschränkte sich das Einsatzgebiet dieser Maschinen in der Vergangenheit häufig auf Anwendungen in Forschung und Medizin, wo naturgemäß hohe Reinheit und Zuverlässigkeit gefordert waren, so wird der Membranverdichter heute praktisch überall dort eingesetzt, wo kritische Gase verunreinigungs- und ölfrei verdichtet werden müssen – egal ob im Nieder- oder Hochdruckbereich. Die im Vergleich zu trockenlaufenden Kolbenkompressoren höheren Anschaffungskosten amortisieren sich sehr schnell, da keine aufwändigen Filtermaßnahmen zur Trennung von Gas und Feststoffpartikeln vorgenommen werden müssen. Darüber hinaus treten auch keine Gasleckagen auf, die zur weiteren Entsorgung oder Wiederaufarbeitung gezielt abgeführt werden müssten. Dieser Aspekt ist besonders im Hinblick auf toxische und radioaktive Gase von großer Bedeutung.

Das Anwendungsspektrum des Membrankompressors erstreckt sich vom Kreisgasverdichter über die Befüllung und Entleerung von Gasflaschen bis hin zur Dosierung von Gasen. Dass dabei einschlägige Normen und Vorschriften, wie beispielsweise die Atex-Richtlinie für den Umgang mit brennbaren Stoffen, eingehalten werden müssen, versteht sich von selbst.

Ein immer bedeutender werdendes Einsatzgebiet von Metallmembranverdichtern ist die Wasserstofftechnologie im Einsatz bei Straßenfahrzeugen, für deren Betankung in den Vorlagetanks Drücke von 500 bis 800 bar aufrechterhalten werden müssen.

cav 461

Metallmembran-Verdichter im Überblick

VDMA-Fachverband Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik