Gebläse richtig projektieren

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Drehkolben-, Schrauben- und Turbogebläse – die Vielfalt der Maschinen zur Erzeugung von Druckluft ist groß. Wer eine Anlage langfristig möglichst effektiv, zuverlässig und effizient betreiben möchte, hat die Qual der Wahl. Der Entscheidung für eine Investition eine umfassende Bedarfsanalyse zur Auswahl der passenden Gebläse vorausgehen zu lassen, zahlt sich aus.

Anlagenplaner können auf ein breites Spektrum unterschiedlicher Gebläse zurückgreifen. Am häufigsten zum Einsatz kommen Drehkolben-, Schrauben- und Turbogebläse. Diese generieren üblicherweise Differenzdrücke zwischen 0,4 und 1,0 bar bei Volumenströmen bis 250 m³/min. Im Niederdruckbereich treffen bei der ölfreien Verdichtung von Luft im Wesentlichen zwei Technologien aufeinander: Verdrängerverdichter mit den zweiwelligen Drehkolben- und Schraubengebläsen und Turbogebläse als dynamische Verdichter. Kaeser Kompressoren bietet alle Gebläsearten und unterstützt bei der Auswahl der richtigen Lösung.

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Robustes Drehkolbengebläse

Bei Drehkolbengebläsen sind Haupt- und Nebenrotor vom Querschnitt her gleich, heutzutage dreiflügelig und verlaufen in Längsrichtung geradlinig. Im Gebläseblock selbst entsteht kein Druckaufbau, sondern erst in der nachfolgenden Prozessleitung durch stetiges Nachschieben von Luftmolekülen gegen die im nachfolgenden Prozess herrschenden Widerstände. Drehkolbenmaschinen sind robuste, weniger kostenintensive Maschinen, die sich für Differenzdrücke zwischen 0,2 und 0,5 bar empfehlen. Die Gebläsedrehzahl beträgt je nach Baugröße 2000 bis 6000 min-1, ein Regelbereich von maximal 1:3 ist erreichbar und bei Maschinen mit Frequenzumrichter liegt der isentrope Wirkungsgrad zwischen 45 und 60 %. In der Wassertechnik werden Drehkolbengebläse seit dem Aufkommen der Schraubengebläse bevorzugt nur noch für niedrige Drücke und geringe Laufzeiten eingesetzt – zum Beispiel zur Filterrückspülung oder auch für Anwendungen mit starken Druckschwankungen und Leerlauf wie z. B. der pneumatischen Förderung von Schüttgut.

Effizientes Schraubengebläse

Schraubengebläse haben schraubenförmige Rotoren. Beim Ineinandergreifen beider Rotoren wird die in den Nuten beider Rotoren eingeschlossene Ansaugluft stetig reduziert und dadurch intern vorverdichtet. Schraubengebläse sind hocheffiziente Maschinen, die sich für Differenzdrücke zwischen 0,4 und 1,1 bar empfehlen und die einen Volumenstrom-Regelbereich von 1:4 erreichen können. Maschinen mit integriertem Frequenzumrichter erreichen mit 60 bis 78 % einen deutlich höheren isentropen Wirkungsgrad, der auch bei variierendem Volumenstrom sehr stabil bleibt. Schraubengebläse sind derzeit in einen Volumenstrombereich von 5 bis 165 m³/min erhältlich. Je nach Baugröße sind Gebläsedrehzahlen von 3000 bis 12 000 min-1 üblich. Schraubengebläse eignen sich hervorragend für die Belüftungsprozesse, bei denen hohe Betriebsstunden und der Bedarf nach einem breiten Regelbereich und konstantem Wirkungsgradverlauf über dem Volumenstrom aufeinandertreffen.

Turbogebläse liefert viel Volumen

Der Druckaufbau im Turbogebläse erfolgt durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Turbolaufrad und deren nachfolgende Umwandlung im Diffusor in Druck. Die klassische Maschinenbauweise erzeugt Laufraddrehzahlen von 20 000 bis 30 000 min-1 mittels Drehstromasynchronmotor und Übersetzungsgetriebe. Volumenstrom und Druck werden mit verstellbaren Leitapparaten angepasst, was diese Maschinen insgesamt recht wartungsintensiv macht. Neuere Bauweisen mit High-Speed-Permanentmagnet-Synchron-Motor (PMSM) und speziellem Frequenzumrichter erzeugen die notwendigen Laufraddrehzahlen ohne Getriebe. Magnetgelagerte Turbogebläse erzielen einen isentropen Wirkungsgrad zwischen 60 und 78 %. Im Gegensatz zum Verdrängergebläse wird der Spitzenwirkungsgrad in einem schmäleren Bereich erzielt und ist stärker abhängig vom jeweiligen Druck und Volumenstrom. Auch der Volumenstrom variiert bei Turbogebläsen stärker mit dem Druck, wodurch ein Regelbereich von anfänglich 1:3 auf weniger als 1:2 abnimmt. Dies ist im Vorfeld der Planung zu beleuchten, um eventuell entstehende Regellöcher zu vermeiden. Turbogebläse empfehlen sich für die Belüftungsprozesse, bei denen die Volumenströme von Schraubengebläsen baugrößenbedingt nicht mehr ausreichen.

Drei Entscheidungslevel

Bei der Entscheidung, ob Turbo- oder Schraubengebläse bei dem jeweiligen Projekt besser geeignet sind oder sogar beide in Kombination, sind nachfolgende Fragestellungen hilfreich: Erste Entscheidungskriterien sind der benötigte Volumenstrom, dessen Regelbereich, der Bedarfsdruck und mögliche Druckschwankungen. Zweiter Entscheidungslevel sind die Betriebsbedingungen: Hier ist die Frage der verfügbare Stellplatz und ob Innen- oder Außenaufstellung. Auch minimale und maximale Umgebungs- und Ansaugtemperaturen, relative Luftfeuchte und mögliche Verunreinigungen der Luft (Staub, Pollen, Gas …) sind zu beachten. Die geodätische Höhe mit reduziertem Umgebungsdruck und Ansaugluftdichte darf ebenso nicht vergessen werden, nimmt diese doch ab einem gewissen Wert erheblichen Einfluss auf die Leistungsdaten.

Der dritte Entscheidungslevel ist der Abgleich der Leistungsdaten von Maschine und Prozess: Welchen Bereich von min. bis max. Volumenstrom müssen die Maschinen abdecken können? Bei welchen Volumenströmen ist der zeitlich häufigste Betrieb zu erwarten? Wie muss der Regelbereich bei dem Auslegungs-, aber auch maximal zu erwartenden Druck sein? Was sind die jährlichen Betriebsstunden und wie verteilen sich diese über dem Bereich des abzudeckenden Volumenstroms? Wie verläuft der Wirkungsgrad über dem Volumenstrom, wie deckt sich dieser mit dem zeitlich häufigsten Betriebsbereich? Wie hoch sind die Investitionskosten inklusive Kosten für die Sicherung eines redundanten Betriebes? Wie hoch sind die Instandhaltungskosten und die Zeitdauer für die Wiederherstellung der Maschinenverfügbarkeit bei unerwartetem Ausfall einer essenziellen Kernkomponente?

Bei der Energiekostenbilanzierung ist sehr darauf zu achten, dass nicht nur ein einzelner Betriebspunkt betrachtet wird, sondern mehrere Punkte, verteilt über den zu erwartenden Betriebsbereich. Da sich die jährlichen Energiekosten zusammensetzen aus einem Produkt aus Stromtarif x Leistung x Betriebsstunden, ist der Faktor Zeit eine entscheidende Größe, idealerweise bei bestmöglichem Wirkungsgrad.

Technologiemix mitunter sinnvoll

Nicht selten kann eine Kombination mehrerer Technologien empfehlenswert sein. Gerade wo ein möglichst breiter Regelbereich des Volumenstroms in den unteren Bereich hin abgedeckt werden muss, sind immer häufiger Stationen mit einem Mix aus Turbo- und Schraubengebläsen im Einsatz. Anhand der spezifischen Leistung (kW je m3/min) lässt sich sehen, dass eine Kombination aus einem Schrauben- und einem Turbogebläse den Volumenstrom mit der größten Häufigkeit am effizientesten abdeckt. Ein zweites Schraubengebläse kann eine kostenattraktive Redundanzmaschine bilden.

Kaeser Kompressoren, Coburg