Verdichter

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Dieser Artikel behandelt Fluidenergiemaschinen – zu anderen Bedeutungen siehe Kompression, Verdichtung (Begriffsklärung).
Großverdichter einer Kokerei
Elektrischer Kolbenkompressor mit Kessel zur Druckluftherstellung

Ein Verdichter (Kompressor) ist eine Fluidenergiemaschine, die man zum Komprimieren von Gasen verwendet.

Grundlagen[Bearbeiten]

Verringert man das Volumen eines Gases, so spricht man von Verdichten bzw. Komprimieren. Entsprechende Geräte heißen Verdichter oder Kompressoren. Bei Verdichtungsvorgängen wird ein vorhandenes Ansaugvolumen V1 mit dem Betriebsdruck p1 zu einem kleineren Volumen V2 zusammengepresst. In dem kleineren Volumen V2 herrscht ein erhöhter Druck p2, und das Gas erwärmt sich während des Verdichtungsprozesses.

Da sich das Volumen während der Verdichtung verringert, ist es entscheidend, den jeweiligen Druckzustand zum Volumenstrom anzugeben. Übliche Angaben sind der Saugvolumenstrom (bezogen auf Saugdruck p1), Austrittsvolumenstrom (bezogen auf den Enddruck p2) sowie der Normvolumenstrom (bezogen auf den Normzustand p = 101,3 kPa, T = 273,15 K = 0°C).

Für Verdichtungsvorgänge gilt bei konstant bleibender Temperatur das Boyle-Mariottesche Gesetz.
Bei der Anwendung dieses Gesetzes ist darauf zu achten, dass p1 und p2 absolute Drücke sind. Alle Druckangaben bei pneumatischen Anlagen beziehen sich jedoch auf den Überdruck Pe gegenüber dem atmosphärischen Druck. Andernfalls werden Druckangaben besonders gekennzeichnet.

  • Druckangaben in der Pneumatik beziehen sich auf Überdruck
  • Druckmessgeräte in der Pneumatik sind auf Überdruck eingestellt

Liefermenge und Betriebsdruck[Bearbeiten]

Zur Kennzeichnung eines Verdichters dienen der erreichbare Druck und die Liefermenge. Die Liefermenge ist das je Zeiteinheit abgegebene Luftvolumen; sie wird bei kleinen Anlagen in Liter/min, sonst in m3/min angegeben. Häufig gebräuchlich jedoch irreführend ist die Angabe der (theoretischen) Ansaugleistung als Produkt aus Drehzahl und Hubvolumen. Sie sagt nichts über die tatsächliche Fördermenge aus, da dabei der volumetrische Füllungsgrad vernachlässigt wird.

Kenngrößen[Bearbeiten]

  • Liefermenge – Volumen des abgegebenen Fluids je Zeiteinheit.
  • Betriebsdruck – erreichbarer Überdruck.
  • Druckverhältnis \Pi=p_2/p_1 = Enddruck/Saugdruck
  • Liefergrad – Bezeichnet das Verhältnis von gefördertem, zum theoretisch (aufgrund der Geometrie) möglichen Volumenstrom.

Um Verdichter verschiedener Bauart und Betriebspunkte besser vergleichen zu können, wird oft der Normvolumenstrom betrachtet. Dies ist der Volumenstrom des Verdichters, umgerechnet auf Normbedingungen (Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit).

Einteilung[Bearbeiten]

Volumenstrom und Enddruck

Turboverdichter liefern große Volumenströme bei kleinen Verdichtungsenddrücken, Verdrängerverdichter liefern bei kleinem Durchsatz große Verdichtungsenddrücke.

Ölfrei

Kompressorbauarten können auch unterteilt werden in ölgeschmierte und ölfreie Kompressoren.

Offen oder hermetisch

In der Kältetechnik unterscheidet man zusätzlich noch:

  • Vollhermetische Verdichter – Motor und Kompressor befinden sich in einem gekapselten Gehäuse und in direktem Kontakt mit dem Kältemittel
  • Halbhermetische Verdichter – der Motor ist an das Kompressorgehäuse angeflanscht
  • Offene Verdichter – der Verdichter wird über Riemen, Getriebe oder Zahnräder angetrieben

Bauformen[Bearbeiten]

Fahrbarer Baustellenkompressor, ca. 1910, mit Verbrennungsmotorantrieb
Roots-Kompressor für den Rennsporteinsatz

Kolbenverdichter[Bearbeiten]

Bei Kolbenverdichtern, die nach dem Verdrängerprinzip arbeiten, wird das Gas in einem Volumen gekapselt, verdichtet und wieder ausgestoßen. Diese Verdichter arbeiten zyklisch, haben geringe Volumenströme und hohe Druckverhältnisse.

Schraubenverdichter[Bearbeiten]

Hauptartikel: Schraubenspindelpumpe
Die beiden Rotoren eines Schraubenverdichters

Der Schraubenverdichter gehört zu den rotierenden, zweiwelligen Verdrängerverdichtern mit innerer Verdichtung. Er ist einfach aufgebaut, hat kleine Abmessungen, eine geringe Masse, gleichmäßige, pulsationsfreie Förderung und einen ruhigen Lauf, weil ihm oszillierende Massen und Steuerorgane fehlen. Er erreicht bis zu 30 bar Überdruck.

Schraubenverdichter gehören zu der Gruppe der Rotationsverdichter.

Zahnradpumpe
Bei Kraftfahrzeug- und Großserienmotoren ist das Pumpengehäuse in den Motorblock eingefräst.

Geschichte[Bearbeiten]

Die Idee zum Bau eines Schraubenverdichters entstand schon 1878, die Geometrie der Oberflächen konnte aber wegen technischer Schwierigkeiten nicht hergestellt werden. Etwa ein halbes Jahrhundert später, im Jahr 1930, hatte man dann die fertigungstechnischen Voraussetzungen dafür, um die komplizierte Schraubengeometrie herzustellen. Einem schwedischen Ingenieur namens Alfred Lysholm gelang es 1955,[1] den ersten Schraubenkompressor der Welt herzustellen und erfolgreich einzusetzen. Anfänglich konnte sich der Kompressor jedoch gegenüber dem gängigen Kolbenkompressor nicht durchsetzen. Die internen Verluste an den Schrauben waren zu groß, um von einem effektiven Kompressor und vor allem von einer Alternative zum Kolbenkompressor zu sprechen. Noch einmal 40 Jahre mussten vergehen, bis dann endlich der entscheidende Punkt in der Verbesserung des Wirkungsgrades gefunden wurde. Eine Öleinspritzung in die Kompressorstufe senkt die Verlustrate erheblich und dient dem Kompressorblock gleichzeitig als Kühlung. Außerdem konnten dann Wälzlager verwendet werden, anstelle der bis dahin gängigen Gleitlager. Insgesamt führte diese Erkenntnis zu sehr einfach gebauten, aber dennoch robusten Verdichtern. Schraubenverdichter haben sich inzwischen bewährt – etwa die Hälfte aller derzeit eingesetzten Kompressoren sind Schraubenverdichter.

Funktionsweise[Bearbeiten]

Zwei parallel angeordnete, mechanisch zwangsgekoppelte Wellen mit ineinandergreifender, schraubenförmiger Verzahnung in einem Gehäuse sind das Herz dieser Anlage. An der Wälzlinie (die Stelle, an der sich die beiden schraubenförmigen Wellen berühren) zwischen den beiden Wellen ist der Durchgang für das zu fördernde Medium mechanisch (durch die notwendigerweise präzise Fertigung der Zahnung) verschlossen. Das Medium befindet sich in den Zahngängen und wird von der Gehäusewandung darin gehalten. Es wird in Achsrichtung gefördert. An den beiden Stirnseiten der Achsen befinden sich im Gehäuse Steuerschlitze für Ein- (Saugseite) und Auslass (Druckseite). Die Länge der Wellen, Steigung der Spiralen und die Steuerschlitze müssen so angepasst sein, dass kein direkter Durchgang von der Druck- zur Saugseite besteht, also kein Rückfluss entstehen kann. Die geförderte Menge des Mediums ist, von den Verlusten abgesehen, drehzahlabhängig.

Das Medium (z. B. Luft) füllt auf der Saugseite einen Zahngang je Welle aus, der sich beim Weiterdrehen saugseitig am Abwälzpunkt verschließt. Er bildet nun um die Welle spiralförmig einen Luftschlauch. Bei weiterer Drehung wird er Richtung Druckseite befördert. An das druckseitige Ende transportiert, öffnet die Mechanik den Schlauch wieder, die Luft wird durch das Weiterdrehen aus der Maschine gefördert.

Wird eine weitgehend impulslose Verdichtung von den nachfolgend angeordneten Anlagen verlangt, muss im Verdichter schon vorkomprimiert werden. Dazu wird das Gas nicht einfach hinter dem Verdichter freigegeben. Dem sich öffnenden Zahngang auf der Druckseite wird deshalb eine Wand entgegengestellt. Beim Weiterdrehen der Welle verkleinert sich das Volumen des Luftschlauchs, da er quasi gegen die Wand gedrückt wird, er wird verdichtet. Nun kann je nach verlangtem Druck früher oder später dieser zusammengedrückte Luftschlauch durch einen Steuerschlitz freigegeben werden.

Turboverdichter[Bearbeiten]

Axialkompressor. Die stehenden Blätter sind die Statoren.
qualitative Darstellung

Beim Turboverdichter wird durch einen rotierenden Läufer nach den Gesetzen der Strömungsmechanik dem strömenden Fluid Energie zugesetzt. Diese Bauart arbeitet kontinuierlich und zeichnet sich durch geringe Druckerhöhung pro Stufe und hohen Volumendurchsatz aus. Radial- und Axialverdichter sind die beiden Hauptbauarten für Turboverdichter. Beim Axialverdichter strömt das zu komprimierende Gas in paralleler Richtung zur Achse durch den Verdichter. Beim Radialverdichter strömt das Gas axial in das Laufrad der Verdichterstufe und wird dann nach außen (radial) abgelenkt. Bei mehrstufigen Radialverdichtern ist damit hinter jeder Stufe eine Strömungsumlenkung notwendig.

Eingesetzt werden diese Verdichter etwa im Abgasturbolader (meist als Radialverdichter) oder in Strahltriebwerken (meist als Axialverdichter). Hier erhöht sich der Druck jedoch nicht durch den sich verengenden Kanalquerschnitt, sondern vielmehr dadurch, dass der Zwischenraum zwischen den Schaufeln eines solchen Verdichters die Form eines Diffusors einnimmt. Hier steigen der Druck und die Temperatur, während die Geschwindigkeit sinkt. Im sich drehenden Teil einer Verdichterstufe (Laufrad, Rotor) wird der Luft die für den weiteren Druckaufbau nötige kinetische Energie wieder zugeführt.

Transsonischer Verdichter[Bearbeiten]

Unter einem transsonischen Verdichter versteht man einen Turboverdichter axialer oder radialer Bauart, in dem die Strömungsgeschwindigkeit im Relativsystem (der Beobachter „sitzt auf der rotierenden Rotorschaufel“) mindestens lokal die Schallgeschwindigkeit übersteigt. Die vorderen Stufen moderner Verdichter in Flugtriebwerken und Gasturbinen sind meist transsonisch ausgelegt, da hier die Temperaturen noch gering sind und man bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit eine höhere Mach-Zahl erhält. Die Machzahl ist das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit zur Schallgeschwindigkeit, letztere ist eine Funktion der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung des Gases.

Der Vorteil transsonischer Verdichter sind die hohen Leistungsdichten, was insbesondere bei Flugzeugtriebwerks-Verdichtern wichtig ist, da so das System sehr kompakt ist. Diese Verdichter sind durch komplexe Systeme von Verdichtungsstößen gekennzeichnet, die die Auslegung und den stabilen Betrieb des Verdichters erheblich erschweren. Nachteilig sind auch die hohen Verluste, die mit den Verdichtungsstößen einhergehen und welchen nur durch komplexe dreidimensionale Beschaufelungen und ausgefeilte Profile begegnet werden kann. Üblicherweise sind die ersten Stufen des Niederdruckverdichters bei Triebwerken transsonisch ausgelegt wegen des großen Durchmessers der Rotoren und der Drehzahlgleichheit aller auf der Welle befindlicher Aggregate.

Weitere Verdichterformen[Bearbeiten]

Anwendungen[Bearbeiten]

Siehe auch[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Bedeutsame Personen in der Historie der Atlas Copco Gruppe Webseite der Atlas Copco Gruppe. Abgerufen am 29. Mai 2012.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Verdichter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien