Ist der Abluftvolumenstrom eines Druckluftkompressors umso geringer, je höher sein Auslassdruck ist?

Kernergebnis: Der umgekehrte Zusammenhang zwischen Druck und Abgasmenge

Bei der Untersuchung der Betriebseigenschaften von Druckluftkompressoren gilt die Aussage „Je höher der Auslassdruck, desto geringer das Fördervolumen“ in den meisten üblichen Betriebsbedingungen. Bleiben die Leistung und die Drehzahl des Antriebsmotors des Kompressors konstant, so nimmt mit zunehmendem Gegendruck – also dem Auslassdruck – der inneren Leckage und der Widerstandsverluste beim Komprimieren des Gases zu, was letztlich zu einem Rückgang des tatsächlich abgegebenen nutzbaren Fördervolumens führt.

Druck- und Durchflusscharakteristik eines Verdrängerkompressors

Schraubenkompressoren und Kolbenkompressoren gehören zu den typischen Verdrängerkompressoren. Ihre Fördermenge hängt in erster Linie vom geometrischen Volumen des Zylinders oder des Rotors sowie von der Drehzahl ab.

• Erhöhte innere Leckage:Mit zunehmendem Abgasdruck vergrößert sich der Druckunterschied, durch den das Hochdruckgas im Kompressionsraum in den Niederdruckbereich – etwa auf der Ansaugseite – ausströmt, was zu einem Anstieg der internen Leckage und zu einer Verringerung des volumetrischen Wirkungsgrads führt.
• Einfluss des Totvolumens:Bei Kolbenkompressoren gilt: Je höher der Auslassdruck, desto größer ist das Volumen, das das im Totraum verbleibende Hochdruckgas beim Expansionsschritt einnimmt, wodurch die tatsächlich angesaugte Menge an Frischluft entsprechend abnimmt.
• Leistungsbegrenzung:Bei begrenzter Nennleistung des Motors erfordert eine Erhöhung des Austrittsdrucks einen höheren Kompressionsaufwand; das System begrenzt daher automatisch die Ansaugmenge, um eine Überlastung des Motors zu vermeiden.

Leistungs­kennlinie eines dynamischen Kompressors

Die Zentrifugalverdichter gehören zur Gruppe der dynamischen Verdichter; das Verhältnis zwischen Druck und Durchfluss wird durch die Leistungskurve des Verdichters bestimmt.

• Merkmale der Leistungskurve:Bei konstanter Drehzahl nimmt das Fördervolumen mit steigendem Abgasdruck allmählich ab.
• Stallgrenze:Wenn der Abgasdruck einen bestimmten kritischen Wert erreicht und die Durchflussmenge entsprechend abnimmt, kommt es zu starken Druckschwankungen im Luftstrom – dem sogenannten Surge‑Phänomen. Daher ist der Regelbereich des Durchflusses bei Zentrifugalverdichtern unter Hochdruckbedingungen streng begrenzt.

Weitere entscheidende Faktoren, die das tatsächliche Ausstoßvolumen beeinflussen

Neben dem Auslassdruck wird die tatsächliche Fördermenge eines Kompressors zudem von folgenden Faktoren in ihrer Gesamtheit beeinflusst:

• Ansaugzustand:Je höher die Ansauglufttemperatur und je höher die Flughöhe (je niedriger der atmosphärische Druck), desto geringer ist die Luftdichte, wodurch das tatsächliche Massen‑Abgasvolumen deutlich abnimmt.
• Drehzahl und Frequenzumrichterregelung:Bei frequenzgeregelten Kompressoren lässt sich der durch den hohen Druck verursachte Durchflussverlust bis zu einem gewissen Grad durch eine Erhöhung der Motordrehzahl ausgleichen; dies ist jedoch durch die maximale Leistung des Motors sowie durch die mechanischen Grenzen des Hauptgeräts begrenzt.
• Alterung und Wartung von Anlagen:Verstopfungen des Filterelements, Ablagerungen im Kühler sowie Verschleiß der Rotoren erhöhen den Systemwiderstand oder die inneren Leckagen und führen bei gleichem Druck zu einem Rückgang der Fördermenge.

Auswahl der Ausrüstung und Betriebsempfehlungen

Um zu vermeiden, dass durch eine falsche Druckeinstellung ein unzureichender Luftdurchsatz oder ein Energieverlust entsteht, wird empfohlen, im Anlagenmanagement die folgenden Grundsätze zu beachten:

• Präzise Anpassung an den Bedarf:Die Auslassdruckeinstellung der Druckluftanlage ist entsprechend den tatsächlichen Mindestdruckanforderungen der Endverbrauchergeräte vorzunehmen, um eine willkürliche Erhöhung des Drucks zu vermeiden. Eine angemessene Senkung des vorgesehenen Auslassdruckwerts kann den Stromverbrauch erheblich reduzieren.
• Auf den Druckabfall im Rohrleitungssystem achten:Optimieren Sie das Design der Druckluftleitungen, reduzieren Sie die Anzahl der Bögen und Ventile und senken Sie die Druckverluste im Leitungsnetz, um bei gleichzeitiger Gewährleistung des Enddrucks den Auslassdruck‑Sollwert der Druckluftkompressoren zu verringern.
• Regelmäßige Wartung und Instandhaltung:Wechseln Sie Luftfilter, Ölfilter und Schmieröl rechtzeitig, gewährleisten Sie eine einwandfreie Abdichtung und Kühlung der Anlage und stellen Sie sicher, dass die volumetrische Effizienz auf dem optimalen Niveau bleibt.