Wie wird der Wirkungsgrad eines Druckluftkompressors berechnet?

Rechenansatz zur Bestimmung der Effizienz von Druckluftkompressoren

Die Effizienz eines Druckluftkompressors wird in der Regel nicht durch einen einzigen Wert ausgedrückt, sondern je nach Anwendung an entsprechende Kenngrößen angepasst. Zu den gängigen Bewertungsmethoden zählen der Vergleich der theoretischen Kompressionsleistung mit der tatsächlich zugeführten Leistung, die Ermittlung des Leistungsbedarfs pro Einheit der abgegebenen Luftmenge sowie die Beurteilung der Abweichung zwischen der tatsächlichen und der theoretischen Fördermenge. Vor der Berechnung sind Druck, Fördermenge, Leistung, Temperatur und Betriebsbedingungen klar zu definieren; andernfalls können die Ergebnisse leicht verfälscht werden.

Häufig verwendete Effizienzindikatoren

• Isentrope Effizienz:Dient zum Vergleich, inwieweit der Kompressionsvorgang einer idealen adiabatischen Kompression nahekommt.
• Volumenwirkungsgrad:Dient zur Bewertung der Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem theoretischen Ausstoßvolumen.
• Spezifische Leistung:Sie dient zur Messung der Leistung, die pro Einheit des abgesaugten Luftvolumens verbraucht wird, und ist ein häufig verwendetes Kriterium bei der Bewertung der Energieeffizienz von Druckluftkompressoren.
• Wärmerückgewinnungsgrad:Dient zur Bewertung des Anteils der komprimierten Wärme, der effektiv genutzt wird.

Wie wird der isentrope Wirkungsgrad berechnet?

Die isentrope Effizienz lässt sich als das Verhältnis der theoretischen isentropen Kompressionsleistung zur tatsächlichen Wellenleistung oder Eingangsleistung verstehen. Die grundlegende Formulierung lautet:Isentrope Effizienz = Theoretische isentrope Leistung ÷ Tatsächlich verbrauchte LeistungDie theoretische isentrope Leistung lässt sich anhand des Ansaugdrucks, des Abgasedrucks, der Ansaugtemperatur sowie der Gas­eigenschaften berechnen. Die tatsächlich aufgenommene Leistung stammt in der Regel aus der Wellenleistung oder der Eingangsleistung des Motors. Wird die Eingangsleistung des Motors herangezogen, umfasst das Ergebnis auch die Verluste im Motor und im Antriebsstrang; wird hingegen die Wellenleistung zugrunde gelegt, entspricht das Ergebnis eher dem eigentlichen Wirkungsgrad der Kompressoranlage selbst.

Wie wird der volumetrische Wirkungsgrad berechnet?

Die Volumenwirkungsgrad gibt das Verhältnis zwischen der tatsächlich abgegebenen Luftmenge und der theoretisch möglichen Luftmenge eines Kompressors pro Zeiteinheit wieder. Die grundlegende Formulierung lautet:Volumenwirkungsgrad = Tatsächliche Ausstoßmenge ÷ Theoretische AusstoßmengeDie theoretische Fördermenge lässt sich aus Parametern wie dem Zylindervolumen, der Drehzahl und der Anzahl der Verdichtungsräume ableiten. Die tatsächliche Fördermenge ist unter stabilen Druck‑ und Temperaturbedingungen zu messen. Leckagen, das Totvolumen, der Ansaugwiderstand sowie Temperaturanstiege verringern sämtlich die volumetrische Effizienz.

Wie wird die spezifische Leistung berechnet?

Die spezifische Leistung wird häufig zur Bewertung der Energieeffizienz eines Gesamtsystems herangezogen und lässt sich im Wesentlichen wie folgt darstellen:Spezifische Leistung = Eingangsleistung ÷ HubraumÜbliche Einheiten lassen sich als die in Kilowatt pro Kubikmeter pro Minute abgeführter Luftmenge angegebenen Werte ausdrücken. Je niedriger die spezifische Leistung, desto geringer ist der bei gleicher Abgasmenge verbrauchte Leistungsbedarf. Bei der Berechnung ist darauf zu achten, dass die Abgasmenge und die Leistung unter denselben Betriebsbedingungen – etwa bei gleichem Abgasedruck, Umgebungstemperatur, Kühlbedingungen und Lastzustand – betrachtet werden.

Wie wird die Wärmerückgewinnungseffizienz berechnet?

Während des Betriebs eines Druckluftkompressors wird ein erheblicher Teil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt; bei Ausstattung mit einem Wärmerückgewinnungssystem lässt sich die Nutzung dieser Abwärme bewerten. Die grundlegende Formulierung lautet:Wärmerückgewinnungsgrad = Effektiv zurückgewonnene Wärmemenge ÷ Zugeführte EnergieDie effektive Wärmerückgewinnung lässt sich anhand des Medienstroms, der Temperaturdifferenz und der spezifischen Wärmekapazität abschätzen. Als eingegebene Energie wird in der Regel die während des Betriebs der Druckluftkompressoren verbrauchte elektrische Energie oder die Wellenleistung herangezogen. Bei der Berechnung sind der betrachtete Rückgewinnungszeitraum sowie die Systemgrenzen klar zu definieren, um zu vermeiden, dass nicht genutzte Wärme als wirksame Rückgewinnung eingerechnet wird.

Rechenschritte und Hinweise zur Beachtung

• Zunächst ist das zu berechnende Objekt festzulegen: Host, Gesamtanlage oder Wärmerückgewinnungssystem.
• Aufzeichnung des Austrittsdrucks, der Ansaugtemperatur, der Umgebungstemperatur sowie des Zustands der Kühlung durch Wasser oder Luft.
• Die tatsächliche Ausstoßmenge ist zu messen; möglichst sind Daten aus der stabilen Betriebsphase heranzuziehen.
• Lesen Sie die Eingangsleistung oder die Wellenleistung ab und beachten Sie die Genauigkeit des Messgeräts sowie die Abtastperiode.
• Die Effizienz derselben Anlage variiert unter unterschiedlichen Drücken, Lastgraden und Umgebungstemperaturen; daher sollten die Vergleichsbedingungen einheitlich festgelegt werden.

Hauptfaktoren, die die Effizienz beeinflussen

Zu den Faktoren, die die Effizienz eines Druckluftkompressors beeinflussen, gehören die Einstellung des Auslassdrucks, der Strömungswiderstand des Einlassfilters, die Kühlleistung, interne Leckagen, mechanische Reibung, der Lastgrad sowie die Druckverluste in den Rohrleitungen. Eine zu hohe Druckeinstellung, verstopfte Filterelemente, eine unzureichende Kühlung oder häufiges Ein‑ und Ausschalten können den tatsächlichen Energieverbrauch erhöhen. Für eine Bewertung des Einsparpotenzials empfiehlt es sich, gleichzeitig Betriebszeit, Belastungszeit, Leerlaufzeit sowie den Bereich der Druckschwankungen zu erfassen.

Einfache Prüfmethode

Fehlen vollständige Prüfbedingungen, kann zunächst anhand der spezifischen Leistung eine grobe Abschätzung vorgenommen werden: Unter gleichen Druck‑ und Fördermengenbedingungen ist zu prüfen, ob die eingespeiste Leistung mit der Fördermenge übereinstimmt. Sinkt die Fördermenge, während die Leistung nicht entsprechend abnimmt, oder führt ein Anstieg des Drucks zu einem deutlichen Leistungsanstieg, sind Leckagen, Druckverluste, der Wartungszustand sowie die Betriebsparameter zu überprüfen. Durch langfristige Datenerfassung lässt sich der Effizienzverlauf noch präziser beurteilen.