Absolut ölfreie Druckluft

Für Apollinaris & Schweppes in Bad Neuenahr-Ahrweiler ist eine zuverlässig arbeitende Druckluft-Versorgung unabdingbare Voraussetzung für einen störungsfreien Betrieb. Die Druckluft wird hauptsächlich als Steuerluft benötigt. Deshalb könnte ein üblicher Restölgehalt von maximal 4 mg/m³ durchaus akzeptiert werden. Jedoch setzt man hier auf absolut ölfrei erzeugte Druckluft, um die einwandfreie Funktion der Steuerventile nicht zu gefährden. Aus Sicherheitsgründen ist Druckluft, die mit ölgeschmierten Kolbenkompressoren oder mit öleingespritzten Schraubenkompressoren erzeugt und anschließend durch entsprechende Filtrationsmaßnahmen absolut ölfrei aufbereitet wird, nicht akzeptabel.

Die Steuerventile benötigen für ihre einwandfreie Funktion einen Mindestdruck von 6,0 bar. Deshalb wurde die Druckluftstation für einen Höchstdruck von 6,5 bar ausgelegt. Sie bestand bis zum Frühjahr 2001 aus zwei ölfrei verdichtenden Kolbenkompressoren (Liefermenge je 6,5 m³/min) und drei zweistufig ölfrei verdichtenden Schraubenkompressoren (Liefermenge je ca. 15 m³/min).

Wegen des zu hohen Energieverbrauchs war diese Druckluftstation nicht mehr zeitgemäß: Alle Anlagen arbeiteten im verzögerten Aussetzbetrieb mit einem erheblichen Anteil an unvermeidbaren Leerlaufzeiten, bei denen die Schraubenkompressoren zwar noch ca. 30% der elektrischen Energie benötigen, aber keine Druckluft erzeugen.

Auf der Basis von detaillierten Vergleichsrechnungen, unter Berücksichtigung der Investitions-, Energie- und Wartungskosten, entschied sich Apollinaris & Schweppes für einen wassereingespritzten Schraubenkompressor der Baureihe CWS 110-8 PW. Diese Anlage wird über einen Frequenzumrichter als Spitzenlast-Anlage betrieben. Sie hat eine Antriebsleistung von 110 kW und liefert bei 100%iger Auslastung und bei einem Höchstdruck von 8 bar 18,3 m³/min absolut ölfreie Druckluft. Neben der Wassereinspritzkühlung, die die Erzeugung von absolut ölfreier Druckluft ermöglicht, kennzeichnen folgende Merkmale die Anlage:

• im Vergleich zu trockenlaufenden Schraubenkompressoren geringerer Energieverbrauch

• lange Standzeiten bei geringem technischem Wartungsaufwand

• die über einen Frequenzumrichter geregelten Anlagen können über einen großen Leistungsbereich bedarfsabhängig und ohne Leerlaufzeiten betrieben werden

Die Schraubenkompressoren bieten eine absolut ölfreie Verdichtung nach Pneurop 6611/1, Klasse 1, langsame Umfangsgeschwindigkeiten der Hauptläufer von nur 12 bis 60 m/s und einstufige Standard-Druckverhältnisse bis 14.

Polymer-Keramik-Rotoren bilden das Herz der wartungsfreien Pioneer-Verdichterstufe. Sie arbeitet ohne Getriebe, da der Hauptläufer den Nebenläufer antreibt. Das an den Hauptläufer angegossene Axiallager garantiert durch die minimale axiale und radiale Lagerbelastung von nur ca. 0,3 N/mm² (Enddruck 10 barÜ) eine nahezu endlose Lebensdauer. Kontrolliertes Kreislaufwasser übernimmt die Schmierung des Zahneingriffs, die Kühlung und die Spaltabdichtung, ferner wird es auch zur Schmierung der axialen und radialen hydrodynamischen Gleitlager eingesetzt. Da Wasser gegenüber Öl eine zweifache Wärmekapazität besitzt und außerdem viel leichter zerstäubt werden kann, steigt die Temperatur im Verdichtungsprozess selbst bei einstufigen Druckverhältnissen von 20 nur um maximal 10 °C.

Die GVM-Schraubenkompressoren mit Wassereinspritzkühlung werden an einen Trinkwasseranschluss angeschlossen, wobei das patentierte Ion-Clean-System das Wassers permanent aufbereitet, überwacht und in den vorgegebenen Grenzen regelt. Diese Vorgehensweise ist notwendig,

• weil nicht aufbereitetes Trinkwasser wegen seiner Korrosions- und Ablagerungsgefahren und wegen seiner immer wieder unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung und Leitfähigkeit zum Betrieb der Anlagen ungeeignet ist;

• weil durch Umkehrosmose aufbereitetes, destilliertes oder entionisiertes Wasser seine Reinheit im Verdichtersystem bereits innerhalb weniger Stunden durch Aufnahme von Mineralien und anderen Ionen aus dem Maschinensystem und aus der Ansaugluft verliert.

Besonders CO2 führt zu starken Ablagerungen, Verkalkungen und Änderungen des pH-Wertes. Außerdem müssen die unterschiedlichen atmosphärischen Ansaugbedingungen beherrscht werden. Die Keimzahlkonzentration im Gas- und Wasserkreislauf – bisher eines der wesentlichen Argumente gegen die Wassereinspritzkühlung – bewegt sich nach den Erfahrungen aus Langzeitversuchen jedoch nur zwischen 1 und 106 KBE. Zum Vergleich: Die zulässige Keimzahlkonzentration in Reinräumen liegt bei ca. 100 KBE.

Das zu verdichtende Gas tritt mit einer bestimmten Feuchtigkeitsmenge in die Anlage ein und verlässt sie mit dieser Feuchtigkeitsmenge auch wieder. Da die Kühlwassermenge im geschlossenen Zirkulationskreislauf nahezu konstant bleibt, kann das GVM-System als quasi geschlossenes System bezeichnet werden. Ein offener Zirkulationskreislauf mit niveaugeregeltem Was-serzulauf und Kondensatablauf gleicht den Flüssigkeitseintrag durch Kondensation und den Flüssigkeitsaustrag durch Verdunstung aus. Deshalb können GVM-Anlagen in allen Klimazonen der Welt problemlos eingesetzt werden.

Die anlageninterne Aufbereitung und Regelung des Kreislaufwassers gewährleistet unabhängig von Klima und Trinkwasserqualität eine Leitfähigkeit im Wasserkreislauf zwischen 10 und 20 µS/23 °C. Deshalb werden alle Ionen und Salze sowie das im Wasser gelöste CO2 innerhalb der vorgegebenen Grenzen geregelt. Die Polarisationseinrichtung aus Reinstaluminium und Kohlenstoff (Lebensdauer der Elektroden mehr als 10 Jahre) arbeitet ohne Fremdenergie. Die aufgeladenen Ionen nehmen außerdem im Wasserkreislauf befindliche Ionen anderer Polarität auf.

Ein Partikelfilter trägt maßgeblich zur hohen Betriebssicherheit der GVM-Anlagen bei. Die aus dem Wasserkreislauf entfernten Partikel werden auch bei Druck- und Systemschwankungen in der Matrix festgehalten. Eine automatische Differenzdruck-Überwachung signalisiert die Abweichung von den vorgegebenen Grenzwerten und schaltet die Anlage ab.

Die schallgedämmten einstufigen GVM-Schraubenverdichter werden mit allen Steuerungs-, Überwachungs- und Kühleinrichtungen betriebsbereit geliefert. Kleinere Anlagen werden über Schmalkeilriemen angetrieben. Bei Anlagen ab 30 kW erfolgt der Antrieb über eine elastische Kupplung direkt auf den Hauptläufer der Kompressorstufe. Nichtrostende Materialien verbinden die Wasser- und Gassysteme. Aus der nahezu isothermen Verdichtung und dem Wegfall zusätzlicher Rückkühleinrichtungen resultiert gegenüber anderen Kompressorsystemen ein Energieeinspareffekt von bis zu 20 %.

Ein großzügig dimensioniertes Rückkühlsystem begrenzt die Temperaturerhöhung während der Verdichtung bei luftgekühlten Anlagen auf nur ca. 14 °C, bei wassergekühlten Anlagen auf nur 5 bis 10 °C über der Temperatur des Kühlmediums. Alle GVM-Anlagen werden serienmäßig über eine Vollast-Leerlauf-Regelung mit Entlastung gefahren, können aber auch – wie das Beispiel Apollinaris zeigt – über Frequenzumrichter drehzahlgeregelt betrieben werden.

Ein Ansaugregler ermöglicht einen entlasteten Anlauf und verhindert Stromspitzen durch einen betriebswirtschaftlich günstigen Startvorgang. Alle wichtigen Betriebszustände werden kontinuierlich erfasst und angezeigt. Ein Überwachungs- und Sicherheitssystem mit Abschaltfunktion kontrolliert alle wichtigen Anlagenparameter.

Bei Apollinaris arbeitet die über einen Frequenzumrichter drehzahlgeregelte GVM-Anlage als bedarfsabhängiger Spitzenlastverdichter. Zwei weitere ölfrei verdichtende Schraubenkompressoren mit fester Drehzahl aus dem alten Bestand werden bedarfsabhängig einzeln oder gemeinsam als Grundlast-Verdichter im Dauerbetrieb gegen Volllast gefahren. Der dritte ölfrei verdichtende Schraubenkompressor aus der alten Station wurde nach dem Start der neuen GVM-Anlage außer Betrieb genommen. Die beiden alten Kolbenkompressoren (Liefermenge je 6,5 m³/min) werden zur Zeit als Notfall-Anlagen und als zusätzliche Grundlast-Anlagen eingesetzt, wenn die größere Liefermenge der zwei Grundlast-Schraubenverdichter (je ca. 15 m³/min) nicht benötigt wird. Dieses Konzept gilt an sieben Tagen der Woche rund um die Uhr, weil auch außerhalb der Produktionszeiten Druckluft benötigt wird. Die Trocknung der erzeugten Druckluft erfolgt in einem Kältetrockner (Drucktaupunkt +3 °C). Zusammen mit dem GVM-Verdichter wurde im Frühjahr 2001 auch ein neuer Trockner installiert, dessen Leistung so groß gewählt wurde, dass er die von zwei trockenlaufenden Schraubenkompressoren und dem GVM-Verdichter erzeugte Druckluft ohne Überlastung trocknen kann. Als Reserveanlagen sind zusätzlich zwei ältere Kältetrockner vorhanden.