Ölfrei von Anfang an

Bei der Erzeugung von Druckluft mit Schraubenkompressoren gibt es zwei grundverschiedene Philosophien, wenn am Ende der Prozesskette einwandfrei ölfreie Druckluft stehen soll. Die klassische Variante ist die Drucklufterzeugung mit öleinspritzgekühlten Schraubenkompressoren. Dabei übernimmt Öl, das in den Verdichterraum eingespritzt wird, als Kühlmittel die Abfuhr der Wärme, die bei der Verdichtung unweigerlich entsteht und sorgt gleichzeitig für einen dünnen Schmierfilm zwischen den ineinander greifenden Rotorflanken. Obwohl der vom Motor angetriebene Hauptläufer den Nebenläufer mit antreibt, berühren sich diese dank des Schmierfilms nicht. Ein eigener Antrieb für den Nebenläufer ist somit nicht notwendig und trotzdem werden schädlicher Kontakt und damit Abrieb und Verschleiß vermieden. Die Folge aber ist, dass die verdichtete Luft mit dem Öl intensiv in Berührung kommt und Öldampf und feinste Öltröpfchen mitgerissen werden. Diese Ölanteile müssen in der folgenden Druckluftaufbereitung aufwändig herausgefiltert werden.

Zur Entfernung der Ölanteile stehen prinzipiell leistungsfähige Filter und Adsorber zur Verfügung, mit deren Hilfe technisch ölfreie Druckluft hergestellt werden kann. Diese Aufbereitung muss allerdings gewartet und die Filterelemente müssen gewechselt werden. Zusatzkosten entstehen dabei nicht nur durch die Wechselelemente und den Service, sondern auch durch die notwendige Höherverdichtung der Druckluft, da die Aufbereitung einen unvermeidlichen Druckverlust mit sich bringt. Weiterhin bleibt ein potenzielles Versagen der Druckluftaufbereitung mit den teuren Folgen eines Öldurchbruchs stets eine Gefahr. Auch menschliches Versagen als Ursache kann nicht ausgeschlossen werden.

Um den beschriebenen Nachteilen und Gefahren vorzubeugen, besteht die Möglichkeit, Druckluft von vornherein ölfrei herzustellen. Dabei müssen allerdings einige anspruchsvolle technische Aufgaben gelöst werden. Eine ist die Schmierung zwischen den beiden Rotoren. Da der schützende Schmierfilm wegfällt, muss durch ein aufwändiges Gleichlaufgetriebe verhindert werden, dass sich die Rotorflanken berühren. Gleichzeitig sind aber, um Verluste zu vermeiden, die Flanken so nah wie möglich zusammenzubringen. Hierbei werden große Anforderungen an Toleranzen und Passgenauigkeit gestellt. Der Wegfall der Schmierung bedeutet zudem, dass die empfindlichen Rotoroberflächen nicht mehr durch Öl geschützt werden. Aus diesem Grund wird die Oberfläche mit einer ganz besonderen Beschichtung versehen, die sich im besten Fall unlösbar physikalisch mit dem Werkstoff verbindet. Im Gegensatz zu einer oberflächlichen Teflonbeschichtung, die sich nach einigen Betriebsstunden ablösen kann und den Werkstoff wieder ungeschützt lässt, ist der Schutz damit dauerhaft über die gesamte Lebensdauer der Verdichtereinheit gewährleistet. Eine mangelhafte Beschichtung führt weiterhin zu einer Absenkung der Lieferleistung und der Effizienz des Verdichters, da sich die Rotorspalten vergrößern. Auch deshalb ist es wichtig, eine geeignete Beschichtung zu wählen, die den anspruchsvollen Anforderungen gerecht wird. Verstärkt werden diese Herausforderungen noch durch die fehlende Wärmeabfuhr, da dazu konzeptbedingt kein Öl zur Verfügung steht. Liegen die normalen Verdichtungsendtemperaturen bei ölgeschmierter Schraubenverdichtung bei ca. 85 bis 100 °C, so liegen diese bei ölfreier Verdichtung bei bis zu 250 °C. Die benutzten Werkstoffe dehnen sich temperaturbedingt stärker aus, was bei der Konstruktion der Verdichterstufen und der kompletten Anlage im Vorfeld mit komplizierten Berechnungen berücksichtigt werden muss. Insgesamt werden durch das Fehlen des Kühlmediums sehr hohe Anforderungen an eine funktionierende externe Kühlung des Verdichters und der verdichteten Luft gestellt. Ganz ohne Schmierung kommt man auch hier nicht aus. Um eine einwandfreie und sichere Funktion zu gewährleisten, müssen die Lager geschmiert werden. Zusätzliche Dichtungen sind also nötig, um das Öl vom Verdichtungsraum fern zu halten.

Die ölfrei verdichtenden Schraubenkompressoren der Baureihe SO von Boge lösen diese technischen Aufgaben unter anderem mit einem konsequenten und durchgängigen Anlagekonzept. Die Schraubenkompressoren der Baureihe SO arbeiten zweistufig. Der Elektromotor treibt über ein Zentralgetriebe sowohl beide Verdichterstufen als auch die direkt geflanschte Ölpumpe zur Versorgung der Schmierstellen an. Das erhöht die Betriebssicherheit und bedeutet gleichzeitig einen niedrigen spezifischen Leistungsbedarf. Die Verdichterstufen sind neben dem Grundlastbetrieb auch besonders für den stark intermittierenden Betrieb konzipiert. Die Wellen werden durch speziell kombinierte Dichtringe und atmosphärische Ausgleichskammern berührungsfrei abgedichtet. Hier kommen verschleißfreie Labyrinthdichtungen zum Einsatz, die den Druckraum zum ölgeschmierten Lager hin isolieren, so dass ein Eindringen des Öls in den Druckraum und somit in die Druckluft ausgeschlossen ist.

SO-Schraubenkompressoren können in luft- und wassergekühlter Version ausgeführt sein und sind klar und übersichtlich in drei Bereiche gegliedert. Der Antriebsbereich umfasst im kältesten Teil der Anlage die Steuerungselektronik, Elektrik und den Antrieb. Der Verdichterbereich ist mit einem leicht zugänglichen zweistufig arbeitenden Verdichterblock für Höchstüberdrücke von 8 und 10 bar ausgestattet. Die Druckluft-Nachkühler liegen übereinander angeordnet in einem eigenen Kühlbereich. Dieser ist bei den wassergekühlten, ölfrei verdichtenden Schraubenkompressoren so ausgeführt, dass das Kühlwasser durch die Kühlrohre fließt und die Druckluft um die Kühlrohre herum. Durch die Verwendung von Rippenrohren auf der Druckluftseite und Glattrohre auf der Wasserseite wird ein hoher Wirkungsgrad erzielt. Das Kühlermodul ist standardmäßig aus Kupfer ausgeführt und auf einfache Weise komplett austauschbar. Das ziehbare Rohrbündel ermöglicht eine einfache Reinigung im eingebauten Zustand. Bei mehrstufigen Anlagen ist der Zwischenkühler penibel genau auszulegen, da selbst kleinste Kondensattröpfchen in der Hochdruckstufe durch die hohen Umfangsgeschwindigkeiten zu teuren Schäden führen können.

Manche Probleme sind auch nicht sofort erkennbar, sondern entstehen schleichend während des Betriebs. Schwingungen und Vibrationen versetzen das Material in Dauerstress und Dauerbelastung und können so zu langsamer Rissbildung führen. Verstärkt wird dieser Effekt bei ölfreier Verdichtung noch durch die ständige Temperaturbelastung des Materials in allen Bereichen der Anlage. Unter Umständen treten solche Schäden erst nach einiger Zeit auf und führen dann zu teuren Reparaturen. Solche Auswirkungen gilt es also unter allen Umständen durch konstruktive Maßnahmen und Erfahrung zu mindern bzw. ganz zu vermeiden.

Durch die extremen Temperaturen werden auch die Lager weitaus stärker strapaziert als bei ölgekühlter Verdichtung und müssen dementsprechend dimensioniert werden. Auch die Überwachung und Regelung einer ölfreien Anlage ist erheblich aufwändiger und komplexer. Bei den Schraubenkompressoren SO sind die Verdichterstufen speziell für einen harten Druckluftbetrieb mit großzügig dimensionierten Wälzlagern ausgerüstet. Die rechnerische Standzeit der Wälzlager beträgt bis zu 120 000 Betriebsstunden. Diese spezielle Lagerung macht eine Einrichtung zum Ausgleich des Axialschubes überflüssig. Damit ist eine potenzielle Störquelle ausgeschaltet. Gesteuert wird die SO-Baureihe mit der energiesparenden, intelligenten Steuerung Supertronic. Sie ist mit einem integrierten Überwachungs- und Störmeldesystem mit übersichtlicher Klartextanzeige kombiniert. Die Steuerung ist selbstlernend, das bedeutet, sie reagiert automatisch auf sich ändernde Betriebsbedingungen. Sie berechnet den wahrscheinlichen Druckluftbedarf voraus, stellt anhand festgelegter Bedingungen ihr Regelverhalten darauf ein und ermittelt flexibel die optimale Betriebsart. Dabei vermeidet sie soweit wie möglich teure Leerlaufzeiten und hohe Stromkosten.

Das gesamte Spektrum der Schraubenkompressoren SO umfasst Maschinen mit Volumenströmen von 5,12 bis 50 m³/min und Antriebsleistungen von 45 kW bis 355 kW. Für alle Modelle der SO-Baureihe sind verschiedene Zusatzkomponenten einsetzbar. Eine Frequenzregelung des Schraubenkompressors ermöglicht, dass bei reduziertem Energieeinsatz nur so viel Druckluft geliefert wird, wie der Betreiber tatsächlich benötigt. Der Einsatz ist ideal bei schwankendem Druckluftbedarf. Ein HOC-Adsorptionstrockner mit Drucktaupunkten bis zu -40 °C arbeitet wirtschaftlich ohne den Einsatz von Fremdenergie. Weiterhin lassen sich die ölfreien Schraubenkompressoren der Baureihe SO entsprechend mit Adsorptionstrocknern und nachgeschalteten Filterelementen, um Abrieb vom Trockenmittel aus der Druckluft fern zu halten, in ein Druckluftnetz aus Edelstahl einbinden. Die gesamte Anlage kann dann sogar den extrem hohen Anforderungen der Food and Drugs Administration (FDA) standhalten.

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