Umweltschonende Kompressoren mit Drehzahlregelung

Keine Energie verschwenden

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Die wassereingespritzten Schraubenkompressoren der AQ-Baureihe haben eine Motorleistung von 55 kW. Sie decken einen Volumenstrombereich von 39 bis 152 l/s ab. Ein besonderes Merkmal der Kompressoren ist, dass sie nach der Variable-Speed-Drive-Technologie, kurz VSD, arbeiten, die signifikante Energieeinspareffekte ermöglicht.

Drehzahlgeregelte Kompressoren ermöglichen deutliche Energieeinspareffekte und schonen somit die Umwelt. Vor diesem Hintergrund war es folgerichtig, die VSD-Technologie auch im Bereich der Kälte- und Adsorptionsdrucklufttrockner anzuwenden, um so ein weiteres Potenzial für Energiesparmaßnahmen zu erschließen.

Atlas Copco wendet diese Technologie auch bei den wassereingespritzten Schraubenkompressoren der AQ-Baureihe an. Die Kompressoren decken einen Volumenstrombereich von 39 bis 152 l/s ab. Versorgt werden sie mit herkömmlichem Leitungswasser, das über eine Osmosefiltereinrichtung aufbereitet wird. Alle Wasser führenden Bauteile bestehen aus korrosionsfesten Materialien. Das Verdichtergehäuse, in dem sich speziell für die Wassereinspritzung optimierte Rotoren aus Polymerkeramik befinden, ist aus Aluminiumbronze gefertigt. Hydrodynamische und hydrostatische, also wassergeschmierte Gleitlager verhindern, dass die Luft im Verdichtungsraum mit Öl in Berührung kommt. Auf diese Weise lässt sich ein komplett ölfreier Verdichtungsprozess gewährleisten. Dass Wasser an Stelle von Öl zur Schmierung und Kühlung zum Einsatz kommt, ermöglicht eine fast isothermische Verdichtung, die einen optimalen Wirkungsgrad zur Folge hat. Positiver Nebeneffekt: Alle mit dem Einsatz von Öl verbundenen Kosten, beispielsweise für die Kondensataufbereitung und die Ölentsorgung entfallen.
Im Folgenden wird untersucht, welche Punkte bei einem Wirtschaftlichkeitsvergleich zwischen drehzahlgeregelten AQ-Kompressoren und Last-Leerlauf-Kompressoren im Detail zu berücksichtigen sind.
Durch ständig wechselnde Produktionsbedingungen variiert der Druckluftbedarf stark. Kompressoren mit Volllast-Leerlauf-Regelungen können diesen Bedarfsschwankungen nicht präzise folgen. Sie liefern entweder 100 % ihres Volumenstroms bei Volllast ins Netz oder nichts bei Leerlauf. Ist der Druckluftbedarf kleiner als der erzeugte Volumenstrom, gehen die Kompressoren in den unwirtschaftlichen Leerlaufbetrieb über. Das heißt: Sie erzeugen keine Druckluft, verbrauchen aber dennoch 20 bis 25 % Energie. Genau hier kommen die Vorteile der AQ-Kompressoren mit VSD-Technologie zum Tragen. Sie nehmen bei konstantem Druck nur so viel Energie auf, wie sie gerade für die tatsächlich abgenommene Luftmenge benötigen, indem sie ihre Motordrehzahl über einen integrierten Frequenzumrichter exakt dem aktuellen Volumenstrom anpassen. Diese Volumenstromanpassung bei gleich bleibendem Druck erfolgt in Sekundenschnelle. Darüber hinaus gibt es bei den AQ-Kompressoren auch keinen Energie verzehrenden Leerlaufbetrieb, weil die VSD-Motoren beliebig oft gestartet bzw. gestoppt werden können. VSD-Kompressoren wie die der AQ-Baureihe können sowohl als Spitzenlastkompressoren innerhalb einer Druckluftstation als auch als Einzelkompressoren eingesetzt werden, beispielsweise dann, wenn der benötigte Volumenstrom innerhalb des Regelbereiches ständig von 30 bis 100 % variiert.
Leerlauf vermeiden
Durch die Kombination von Volllast-Leerlauf-Kompressoren mit einer drehzahlgeregelten VSD-Anlage, wird genau so viel Druckluft erzeugt wie benötigt wird. Voraussetzung ist, dass die Kompressoren genau aufeinander abgestimmt sind. Das Ergebnis: Es kommt in diesem System zu keinem Leerlauf und damit zu einer deutlichen Energieeinsparung. Im Gegensatz dazu kann bei einer Druckluftstation, in der ausschließlich Volllast-Leerlauf-Kompressoren zum Einsatz kommen, Leerlauf nie vermieden werden. Selbst die Verwendung einer übergeordneten Steuerung ändert an dieser Tatsache nichts, weil immer noch die maximal zulässigen Motorstarts berücksichtigt werden müssen. Sind diese erreicht, dürfen die Kompressoren mit herkömmlicher Regelung nicht ausgeschaltet werden, was einen Energie verschwendenden Leerlauf zur Folge hat. Immerhin benötigen die Kompressoren in diesem Zustand 20 bis 25 % der Gesamtenergieaufnahme.
Bei einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung sollte man ferner berücksichtigen, dass bei Volllast-Leerlauf-Kompressoren die Energieaufnahme nicht direkt dem Wechsel von Volllast auf Leerlauf folgt. Vielmehr nimmt sie durch die notwendige Entlastungszeit des Ölseparators langsam und parabelförmig ab. Dieser Umstand wird häufig nicht berücksichtigt.
Vergleich des Energieverbrauchs
Im Diagramm, Bild 2, wird die spezifische Energie zweier Druckluftstationen miteinander verglichen. Dabei steht die rote Kurve für eine Energie verschwendende Station, die aus drei Volllast-Leerlauf-Kompressoren besteht. Das Sägezahnprofil der Kurve ist für Stationen dieser Art typisch. Sobald die Volllast-Leerlauf-Kompressoren in den Regelbereich kommen, verschlechtert sich ihre spezifische Leistungsaufnahme rapide. Dies gilt insbesondere bei geringer Auslastung der Station. Dann steigt die Leistungsaufnahme um ein Vielfaches an. Dieser unwirtschaftliche Bereich wird bei jeder Zu- und Abschaltung eines Kompressors durchlaufen. Wie lange ein Kompressor in diesem Bereich arbeitet, hängt vom Druckluftbedarf ab und ist vorher nicht kalkulierbar.
Die grüne Kurve in Bild 2 verdeutlicht die Leistungsaufnahme bei einer Energie sparenden Station. Sie besteht aus zwei Volllast-Leerlauf-Kompressoren und einem drehzahlgeregelten Kompressor, beispielsweise der AQ-Baureihe von Atlas Copco. Im Unterschied zur roten ist die grüne Kurve über den gesamten Volumenstrombereich frei von Extremwerten. Der flache Kurvenverlauf zeigt, dass der VSD-Kompressor zuerst seinen kompletten Regelbereich mit fast konstanten spezifischen Leistungswerten ausnutzt. Erst danach wird ein Volllast-Leerlauf-Kompressor gestartet und der VSD-Kompressor regelt sich so weit zurück, bis der exakt benötigte Volumenstrom erreicht ist. Dabei läuft der Kompressor mit fester Drehzahl auf Volllast und damit in einem für ihn optimalen Leistungsbereich.
Enges Druckband
Der Betriebsdruck von drehzahlgeregelten VSD-Kompressoren liegt zwischen 4 bis 13 bar. Er ist über den sehr weiten Volumenstromregelbereich praktisch konstant. Das heißt: Die Regeldifferenz (Druckband) beträgt etwa 0,1 bar. Bei Kompressoren mit fester Drehzahl und elektronischer Steuerung schwankt der Druck zwischen dem Belastungs- und Entlastungsdruck um mindestens 0,5 bar (Bild 3). Dieser Druckbandeffekt macht allein einen um 3 bis 4 % höheren Energieaufwand aus. Ohne elektronische Steuerung liegt die Regeldruckdifferenz für eine Kaskadenschaltung sogar deutlich über 1 bar. Ein anderer Punkt, der bei Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen durchaus Berücksichtigung finden sollte, ist der Anlaufstrom. Er ist bei den drehzahlgeregelten AQ-Schraubenkompressoren deutlich geringer als bei der Direktanschaltung, beim Stern-Dreieck- oder Sanftanlauf. Auf diese Weise lassen sich unnötige Stromspitzen vermeiden (Bild 4). Außerdem schonen die geringen Anlaufmomente der VSD-Kompressoren Motor, Kupplung und Schraubenelemente, was in letzter Konsequenz zu einer längeren Lebensdauer der Kompressorkomponenten führt.
Ein lebensdauerabhängiger Kostenvergleich (LCC) über einen Zeitraum von fünf Jahren zeigt, dass sich mit den wassereingespritzten VSD-Kompressoren der AQ-Baureihe bis zu 35 % Energie einsparen lassen. Bei den lebensdauerabhängigen Kosten können sich Einsparungen von bis zu 22 % ergeben.
Halle 7, Stand 138
dei 401
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