Wie wird die Förderleistung eines Kompressors berechnet?

Was ist die Fördermenge eines Kompressors?

Die Verdichterförderleistung, häufig auch als Fördervolumen bezeichnet, ist das Volumen des abgegebenen Gases, das der Kompressor pro Zeiteinheit fördert, umgerechnet auf die Normansaugbedingungen (z. B. Normalatmosphärendruck und eine bestimmte Temperatur). Sie stellt eine wesentliche Grundlage für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit eines Kompressors sowie für die Geräteauslegung und Systemabstimmung dar. Eine genaue Ermittlung der Verdichterförderleistung trägt dazu bei, sowohl Energieverschwendung infolge einer zu groß gewählten Auslegung als auch unzureichenden Systemdruck aufgrund einer zu gering bemessenen Auslegung zu vermeiden.

Kernparameter, die das Kompressionsvolumen beeinflussen

Vor der Berechnung des verdichteten Luftvolumens müssen mehrere Schlüsselparameter geklärt werden, die maßgeblich das endgültige Ergebnis bestimmen:

• Arbeitsvolumen des Zylinders: Das vom Kolben im Zylinder zwischen dem unteren und dem oberen Totpunkt durchstrichene Volumen ist die grundlegende geometrische Größe, die den theoretischen Hubraum bestimmt.
• Drehzahl: Die Drehzahl der Kompressorspindel in Umdrehungen pro Minute. Je höher die Drehzahl, desto größer ist der theoretische Volumenstrom des abgegebenen Gases pro Zeiteinheit.
• VolumenwirkungsgradDas Verhältnis des tatsächlichen vom Ventil abgegebenen Luftvolumens zum theoretisch möglichen Luftvolumen. Aufgrund von Totraum, Gasleckagen, Ansaugwiderständen sowie der Erwärmung des Gases ist das tatsächliche Abgasvolumen stets geringer als der theoretische Wert.
• Einatmungszustand: Druck und Temperatur beim Ansaugen. Die Zustandsgleichung für Gase zeigt, dass bei höherer Ansaugtemperatur oder niedrigerem Ansaugdruck die Dichte des angesaugten Gases abnimmt und sich damit auch die tatsächliche volumetrische Fördermenge entsprechend verringert.

Die grundlegende Berechnungslogik des verdichteten Luftvolumens

Die Berechnung des verdichteten Luftvolumens erfolgt in der Regel in zwei Schritten: der theoretischen und der praktischen Berechnung.

Erster Schritt: Ermittlung des theoretischen Fördervolumens

Das theoretische Fördervolumen bezeichnet das Fördervolumen unter idealen Bedingungen, bei denen keine Gasleckagen, kein Totraum und keine Druckverluste berücksichtigt werden. Bei Hubkolbenkompressoren ergibt sich das theoretische Fördervolumen als Produkt aus dem Arbeitsvolumen des Zylinders, der Drehzahl und der Anzahl der Zylinder.

Schritt 2: Einführung des Volumenwirkungsgrads zur Berechnung der tatsächlichen Fördermenge

Das tatsächliche Fördervolumen ergibt sich als Produkt aus dem theoretischen Fördervolumen und dem Volumenwirkungsgrad. Der Volumenwirkungsgrad ist eine empirisch ermittelte Größe oder ein mithilfe thermodynamischer Gleichungen zu berechnender Koeffizient, der je nach Kompressortyp, Ausführungsstand, Betriebsbedingungen sowie Verschleißzustand variiert.

Dritter Schritt: Umrechnung auf Standardbedingungen

Zur Vereinfachung von Vergleichen und der Auswahl des geeigneten Modells ist es üblich, das tatsächlich geförderte Gasvolumen auf das Volumen unter Normansaugbedingungen umzurechnen. Dieser Schritt erfolgt mithilfe der Zustandsgleichung idealer Gase unter Berücksichtigung des tatsächlichen Ansaugdrucks und -temperaturs.

Hinweise zur Durchflussberechnung in der praktischen Anwendung

In der praktischen Ingenieuranwendung sind bei der Berechnung des verdichteten Luftvolumens zusätzlich folgende realitätsbezogene Faktoren zu berücksichtigen:

• Leckagen und Verluste im LeitungsnetzBei der Berechnung des gesamten Gasbedarfs eines Systems ist es erforderlich, dem Bedarf der Endverbrauchseinrichtungen einen entsprechenden Sicherheitszuschlag hinzuzufügen, um Leckagen in den Rohrleitungen und Verluste an Armaturen auszugleichen.
• BetriebsbedingungsschwankungenDer Gasverbrauch im Produktionsprozess unterliegt häufigen Schwankungen. Bei der Berechnung ist der Spitzengasbedarf zugrunde zu legen; zudem ist eine umfassende Bewertung unter Berücksichtigung der Pufferkapazität des Gasspeichers vorzunehmen.
• Seehöhe und Umgebungstemperatur: Wird der Kompressor in großer Höhe oder in einer Umgebung mit hohen Temperaturen betrieben, verringert sich die Luftdichte, was zu einem geringeren eingesaugten Massenstrom führt. In diesem Fall ist es erforderlich, das Normvolumen entsprechend dem örtlichen Atmosphärendruck und der Temperatur zu korrigieren.
• GerätealterungMit zunehmender Betriebsdauer vergrößern sich die inneren Spielräume des Kompressors, wodurch der volumetrische Wirkungsgrad abnimmt. Bei der Luftvolumen‑Bemessung in der Spätphase des Anlagenlebenszyklus sollte der Wert des volumetrischen Wirkungsgrads entsprechend herabgesetzt werden.