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Mikrofluidik und DosiertechnikFett ganz fein

Serienproduktion der neuen Gleitringdichtung

Viele verbinden den Begriff Mikrofluidik noch immer ausschließlich mit der Medizin- oder Biotechnik, aber mittlerweile findet man Anwendungen in fast allen industriellen Bereichen.

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Ölfreie SchraubenkompressorenSauber, oder „technisch rein“?

Kompressoren mit ölfreier Verdichtung sind mittlerweile für bestimmte Branchen unabdingbar. Wie bekommen die Hersteller die Anforderungen an ölfreie Druckluft auf der einen und den möglichst geringen Energiebedarf auf der anderen Seite in den Griff? SCOPE-Redakteur Dr. Peter Stipp hat sich einmal unterschiedliche Lösungen angesehen.

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Ölfreie Schraubenkompressoren: Sauber,  oder „technisch rein“?

Druckluft ist eine Form der Energie, die seit geraumer Zeit in vielen Bereichen der Industrie effektiv eingesetzt wird. Das hat sich auch bis heute nicht geändert. Im Gegenteil. Der Bedarf ist eher noch gestiegen - genau wie die Anforderungen. Denn das, was früher als „technisch reine“ Druckluft bezeichnet wurde, kann heute in bestimmten Bereichen der Produktion nicht mehr eingesetzt werden. Angefangen von der Lebensmittelverarbeitung, über die Herstellung von Pharmazeutika und hochwertigen Elektronikkomponenten bis hin zur Fertigung im Reinraum. Da die Druckluft hier in Kontakt mit den Produkten kommt ist höchste Qualität erforderlich. Und das bedeutet vor allem Ölfreiheit. Ein Restölgehalt, beziehungsweise Abweichungen von dem angegebenen Wert, kann hohe Folgekosten verursachen.

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Die am häufigsten eingesetzte Druckluftquelle in der Industrie ist der so genannte öleingespritzte Schraubenkompressor. Von außen angesaugte Luft gelangt in eine abgedichtete Kammer und wird zwischen zwei gegeneinander laufende Rotoren eingeschlossen. Diese greifen so eng ineinander, dass sie das Volumen der Luft reduzieren und damit so lange verdichten, bis das gewünschte Druckniveau erreicht ist. Das Öl sorgt für einen dünnen Schmierfilm zwischen den Rotorflanken - ist also in den Verdichtungsprozess mit eingebunden. Das heißt, die verdichtete Luft beinhaltet auch feine Öltröpfchen und Öldampf. Diese Technik bedingt also eine Abscheidung, um das Öl wieder herauszufiltern. Das Problem hierbei ist, das die Effizienz nicht allein von der Qualität der Filter abhängt. Denn auch bei hochwertigen Produkten sinken Abscheidegrad und Standzeit sobald die Temperatur deutlich ansteigt. Und damit besteht die Gefahr, dass die Aufbereitung versagt und Öl in den Fertigungsprozess gelangt. Viele Hersteller von Kompressoren sind daher dazu übergegangen, die Druckluft absolut ölfrei herzustellen. Das heißt, es wird ein ölfrei verdichtendes System genutzt. Nur Lager und Getriebe (falls überhaupt vorhanden) werden konventionell mit Öl geschmiert. Die Betreiber fragen mittlerweile ganz bewusst nach Qualitätsklassen der Druckluft und erwarten auch bei der ölfreien Druckluftanwendung die Sicherheit, dass ihre Produkte nicht verunreinigt werden. Obwohl die ölfreie Druckluftanwendung auf dem Vormarsch ist, gibt es immer noch genügend Anwendungen für öleingespritzte Kompressoren. So liegen die Schätzungen für das industrielle Umfeld bei circa 60 Prozent. Das reicht beispielsweise von der Werksluftversorgung in mechanischen Betrieben, über Holz verarbeitende Betriebe und Gießereien bis hin zur Zementindustrie. Die nähere Zukunft wird zeigen, wie stark der steigende Ölpreis und gesetzliche Vorgaben hinsichtlich der Senkung der CO2-Emission diesen Anteil nach unten korrigieren.

Den Energiebedarf reduzieren

Welche technischen Entwicklungen werden derzeit bei den ölfreien Kompressoren angeboten und wie groß sind Wartungsaufwand und Lebensdauer?

Der zentrale Punkt ist die Senkung des Energiebedarfs. Ist die elektronische Drehzahlregelung schon fast zum Standard geworden, so wird am Reibungsverlust und einem möglichst geringen Leerlaufanteil intensiv gearbeitet. Ein geringer Energiebedarf hat deshalb erste Priorität, weil er den Hauptanteil an den Gesamtaufwendungen während der gesamten Nutzungsdauer ausmacht; auch wenn der Betreiber für die Investition in die neuen Technologien zunächst etwas tiefer in die Tasche greifen muss. Bei den ölfreien Schraubenkompressoren der SO-Reihe von Boge wird über ein Synchronisationsgetriebe sichergestellt, dass sich die beiden Rotoren im Betrieb nicht berühren – denn der schützende Ölfilm ist nicht mehr vorhanden. Die Wellen selbst werden durch speziell kombinierte Dichtringe und atmosphärische Ausgleichskammern berührungsfrei abgedichtet. Das ist alles sehr aufwändig hinsichtlich der Toleranzen und der Beschichtung der Oberflächen, aber die Kompressoren haben laut Angaben des Unternehmens einen sehr niedrigen spezifischen Leistungsbedarf. Außerdem sind sie für einen stark intermittierenden Betrieb ausgelegt. Der Antrieb der Verdichterstufen erfolgt wahlweise über einen Keilriemen (Leistung bis 145 kW) oder ein Zentralgetriebe (Leistung bis 355 kW) an. Ob sich die Investition in einen ölfreien Kompressor lohnt, hängt letztendlich von den Anforderungen an die Reinheit der Luft ab. Je sauberer die Luft sein soll, desto mehr muss man bei einer ölgeschmierten Verdichtung aufbereiten. Das Einsparpotenzial beim Einsatz ölfreier Kompressoren wird also größer. „Generell kann man sagen“, so Harald Kranz, Leiter der Markkommunikation bei Boge, „dass bei Anforderungen nach ölfreier Druckluft eine direkte ölfreie Verdichtung umso lohnenswerter ist, je größer der Druckluftbedarf ist“.

Was heißt überhaupt ölfrei? Bis zum Jahre 2001 waren in der ISO-Norm 8573-1 fünf Klassen aufgelistet. Und Klasse 1 war mit einem Gesamtölgehalt < 0.01 mg/m³, Feststoffpartikeln < 0.1 µm und einer Teilchendichte von 0.1 mg/m³ die reinste Stufe. Grundlage war die Messung der Aerosole und Flüssigkeiten. Um auch Öldämpfe, gerade bei höheren Temperaturen, mit in die Messung zu integrieren, wurde die Norm erweitert. Das Resultat ist der so gern zitierte Kompressor der Klasse 0. Genau genommen müsste es heißen: Ein Kompressor, der unter speziellen Ansaugbedingungen mit Qualitätsklasse 0 zertifiziert wurde. Denn Druckluft der Klasse 0 in der Fertigung des Betreibers kann nicht garantiert werden, wenn die Verunreinigungen der Ansaugluft unbekannt sind. Gerade Kohlenwasserstoffe machen den Anwendern das Leben schwer. Es geht also auch bei den ölfreien Entwicklungen nicht ohne Aufbereitung – nur ist es hier die angesaugte Luft.

Wasser als Schmiermittel?

Einen ganz anderen Weg der ölfreien Druckluftherstellung hat Compair eingeschlagen. Die Kompressoren der Pureair Reihe nutzen Wasser als Schmier- und Kühlmittel. Das ist zunächst einmal nicht neu. Nur standen bisher den Vorteilen, wie hohe Druckluftqualität und mehr Prozesssicherheit, eine aufwändig Anlagentechnik und ein hoher Wartungsaufwand gegenüber. Um den heutigen wirtschaftlichen Forderungen zu genügen, haben sich die Ingenieure etwas einfallen lassen: Das parallel angeordnete Schraubenpaar wird durch einen direkt angetriebenen Rotor ersetzt. Hinzu kommen zwei um 90° versetzte Schiebrotoren. Es gibt also kein Getriebe. Dessen Aufgabe übernimmt eine Regelelektronik. Das Ganze ist nicht nur sehr kompakt, der Betreiber spart auch Öl für das Getriebe – und natürlich dessen Wartung. Außerdem kann gleichzeitig die hervorragende Kühleigenschaft des Wassers genutzt werden. Dass auch die Leistung stimmt, zeigt der größte Kompressor dieser Reihe. Er bietet ein Leistungsspektrum von 3,29 bis 17,96 m³/min bei 7 bar Überdruck.

Der Anschaffungspreis eines wassereingespritzten Kompressors liegt – genau wie alle anderen ölfreien Technologien - im Vergleich zu einem konventionellen öleingespritzten System deutlich höher. Aber wie sieht es aus mit der Wartung eines solchen Systems? Dazu Harald Härter, Mitglied der Geschäftsführung bei Compair: „Nicht nur der Wartungsaufwand, auch die daraus entstehenden Kosten für die wassereingespritzte Baureihe sind gleich, oder sogar niedriger im Vergleich zu den öleingespritzten Varianten“. Die größeren Baureihen vom Compair nutzen eine adaptive Magnetlagerung, die sogar noch geringere Reibungsverluste gegenüber konventionellen und vergleichbaren Kompressoren aufweisen. So besteht das zentrale Bauteil der Quantima Kompressorbaureihe aus dem Verdichtungs- und Antriebssystem Q-Drive, dass ebenfalls aus nur einem beweglichen Teil besteht. Der direkt angetriebene Rotor mit den Verdichtungselementen wird über eine adaptive Magnetlagerung völlig berührungslos geführt. Reibungsverluste sind damit so gut wie ausgeschlossen – und damit reduziert sich der Energieverbrauch drastisch. Nach Angaben der Firma benötigt dieses Modell bis zu 25 Prozent weniger Energie im Vergleich zu einem ölfrei verdichtenden, drehzahlgeregelten Schraubenkompressor.

Die ölfrei verdichtenden Schraubenkompressoren der Z-Serie von Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik arbeiten ähnlich wie die von Boge - mit einem Synchronisierungsgetriebe. Da sich die Läufer berührungsfrei im Gehäuse drehen, können auch höhere Umdrehungsgeschwindigkeiten erzielt werden, die eine innere Leckage minimieren. Darüber hinaus vermindert dieses Getriebe die Belastung des Läufers und erhöht die Lebensdauer laut Angabe der Firma auf circa das Doppelte eines öleingespritzten Verdichtungselementes. Dazu Christoph Angenendt, Marketing Kommunikation bei Atlas Copco: „Damit verlängern sich auch die Wartungsintervalle bei den ölfrei verdichtenden Kompressoren deutlich. So hat das Getriebeöl beispielsweise eine Standzeit von 16.000 Betriebsstunden, während bei öleingespritzten Kompressoren eine wesentlich größere Ölmenge nach 2.000 bis 8.000 Betriebsstunden gewechselt werden muss“.

Der positive Effekt einer ölfreien Druckluft auf der einen, deutlich höhere Endtemperaturen auf der anderen Seite. Es muss also entsprechend mehr Luft oder Wasser als Kühlmedium zur Verfügung stehen. Für öleingespritzte Kompressoren ist die maximale Endtemperatur aus sicherheitstechnischen Gründen auf 110°C festgelegt. Bei den ölfreien Entwicklungen gibt es hingegen nur eine Abhängigkeit vom Werkstoff. Bei den meisten Entwicklungen liegt die maximale Temperatur bei 235°C. Die Endtemperatur ist außerdem vom Druckverhältnis abhängig. Um überhaupt einen Betriebsüberdruck größer 4 bar erzeugen zu können werden die meisten ölfreien Kompressoren mit zwei Verdichtungsstufen bestückt. Das bedeutet aber auch, dass zwei weitere Kühler (Zwischen- und Nachkühler) eingesetzt werden müssen. Damit wird klar, warum die Investition in einen ölfrei verdichtenden Kompressor circa doppelt so hoch ist wie die in eine öleingespritzte Standardvariante. Zu beachten ist auch, dass die Druckluft aus einem ölfrei verdichtenden Kompressor noch getrocknet werden muss, um den nachfolgenden Prozess oder die Anwendung vor Wasser zu schützen. Wasser bedeutet Korrosion und führt zu Beeinträchtigungen an Ventilen und Düsen. Speziell entwickelte Trockner entfeuchten die Druckluft hinter diesen Kompressoren, ohne dass Fremdenergie eingesetzt werden muss. Die benötigte Energie kommt aus dem Verdichtungsprozess. Ob sich ein ölfreier Kompressor letztendlich lohnt, hängt immer von den Anforderungen der Fertigung an die Reinheit der Luft und dem Bedarf ab. Dazu Harald Kranz von Boge „Bei einer Anforderungen nach ölfreier Druckluft ist eine direkte, ölfreie Verdichtung umso lohnender, je größer der Druckluftbedarf ist. Das wiederum bedingt eine optimale Auslegung auf den jeweiligen Bedarf und damit eine exakte Analyse der Situation vor Ort“. Christoph Angenendt von Atlas Copco wird hier schon etwas genauer: Für ihn rechnet sich die ölfreie Verdichtung bei einer Antriebsleistung von 200 kW auch bei Anwendungen, die keine ölfreie Druckluft erfordern“. Ein wichtiger Punkt innerhalb einer solchen Beratung betrifft den Verlust im Leerlauf, denn er bedeutet ungenutzten Energieaufwand. Je tiefer der Leerlaufanteil in Prozent, umso höher die Energieeinsparung. Aber ist das schon ein gutes Verkaufsargument? Harald Härter von Compair gibt hier ein klares Statement: „Natürlich kann man den Leerlaufanteil einer einzelnen Kompressorstation sehr genau berechnen. Aber eine generelle Aussagen bezüglich der Leerlaufverluste bei Kunden zu treffen, ohne den Bedarf zu kennen, ist sicher nicht der richtige Ansatz“. Um vergleichende Werte von den Herstellern zu bekommen, werden Verdrängerkompressoren nach ISO 1217 Anhang C gemessen. Doch auch diese Zahlen sollte man mit Vorsicht betrachten. Denn wenn beispielsweise in einer Packanlage kein Wasserabscheider vorhanden ist, wird der Druckabfall auch nicht mit gemessen und somit ein vermeintlich niedriger Leistungsbedarf angegeben. Oder der Drucksensor für die Regelung des Kompressors und zur Anzeige des Betriebsdrucks befindet sich hinter dem Verdichtungselement, das heißt, die Verluste des Ölseperators und des Nachkühlers werden nicht berücksichtigt. Das zeigt, wie wichtig eine individuelle Beratung hinsichtlich Bedarf und Anwendung ist. Und noch ein Punkt sollte bei dem Ziel den Energieverbrauch zu reduzieren nicht vergessen werden: Die Leckagerate bei älteren Druckluftnetzen kann durchaus zehn Prozent erreichen – neue Anlagen liegen unter zwei Prozent. Auch dieses Segment gehört zum Dienstleistungs-Portfolio der genannten Firmen, die sogar eigene Rohrsysteme und Messgeräte anbieten.

Dr. Peter Stipp / stipp@hoppenstedt.de

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