Formel zur Berechnung der thermischen Umwandlungseffizienz eines Druckluftkompressors

Grundlegende Bedeutung der thermischen Umwandlungseffizienz eines Druckluftkompressors

Während des Betriebs eines Druckluftkompressors wird die zugeführte elektrische Energie über Prozesse wie Kompression, Reibung, Wärmeabfuhr im Ölkreislauf sowie das Kühlsystem in Wärme umgewandelt. Bei der Betrachtung des Wärmewirkungsgrades steht in der Regel das Verhältnis zwischen der nutzbaren Abwärme und der eingespeisten Energie im Vordergrund. Dieser Kennwert lässt sich zur Bewertung von Energiesparmaßnahmen einsetzen, etwa bei der Rückgewinnung von Abwärme, der Kühlung von Maschinenräumen oder der Erzeugung von Warmwasser.

Allgemeine Berechnungsformel

Wärmeumwandlungsgrad = Rückgewinnbare Wärme ÷ Zugeführte Energie × 100%

Bezogen auf den Zeitraum kann die zugeführte Energie durch den Stromverbrauch des Kompressors im entsprechenden Zeitabschnitt dargestellt werden; die zurückgewonnene Wärme entspricht der von dem Kühlmittel abgeführten und nutzbaren Wärmemenge. Die Formel lässt sich wie folgt schreiben:

• Wärmeumwandlungsgrad η = Qrückgewonnen ÷ Ein × 100%
• Ein = P × t, wobei P die eingespeiste Leistung und t die Betriebszeit ist.
• Qrecover ist in Verbindung mit Heißluft, heißem Wasser oder anderen Wärmeaustauschverfahren jeweils separat zu berechnen.

Bei der Berechnung sind die Einheiten einheitlich zu wählen, beispielsweise jeweils in Joule oder Kilowattstunden umzurechnen.

Berechnung im Bereich der Warmwasserrückgewinnung

Wenn die Abwärme eines Druckluftkompressors zur Wassererwärmung genutzt wird, lässt sich die zurückgewonnene Wärmemenge anhand des Massenstroms des Wassers, der spezifischen Wärmekapazität sowie der Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt berechnen:

Qwasser = m × c × ΔT

• m: Masse des zu erwärmenden Wassers oder Massenstrom pro Zeiteinheit
• c: Die spezifische Wärmekapazität des Wassers ist entsprechend den in der Technik üblichen Stoffwerten anzusetzen.
• ΔT: Differenz zwischen Austritts‑ und Eintrittstemperatur

Wird die thermische Leistung pro Zeiteinheit berechnet, kann die Masse durch den Massendurchfluss ersetzt werden, wodurch sich die in einer Zeiteinheit zurückgewonnene Wärmemenge ergibt.

Berechnung im Bereich der Abwärmenutzung

Bei der Rückgewinnung von Kühl‑Heißluft kann die Energie mittels Luftvolumenstrom, Luftdichte, spezifischer Wärmekapazität bei konstantem Druck sowie Temperaturdifferenz abgeschätzt werden:

Qair = ρ × L × cp × ΔT

• ρ: Luftdichte, beeinflusst durch Temperatur und Druck
• L: Volumenstrom
• cp: Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck
• ΔT: Differenz zwischen Ablufttemperatur und Zulufttemperatur

Die Wärmerückgewinnung mit Heißluft wird häufig in Rechenzentren zur Lüftung, im Winter zur Raumheizung oder zur Prozessvorwärmung eingesetzt; die tatsächlich nutzbare Wärmemenge wird jedoch durch den Strömungswiderstand der Luftkanäle, Mischverluste sowie die Effizienz des Wärmeaustauschs beeinflusst.

Methode zur Bestimmung der eingegebenen Energie

Die eingespeiste Energie ist anhand gemessener Daten zu ermitteln; übliche Vorgehensweisen umfassen das Ablesen der Verbrauchsdaten aus dem Stromzähler, dem Leistungsmesser oder dem Steuerungssystem. Bei rein theoretischen Abschätzungen kann auf die Nennleistung des Geräts sowie auf die jeweilige Lastbedingung zurückgegriffen werden; es sollte jedoch vermieden werden, die tatsächliche Leistungsaufnahme einfach durch die Volllastleistung zu ersetzen, da dies zu einer Verzerrung der Ergebnisse führen kann.

Hauptfaktoren, die die thermische Umwandlungsrate beeinflussen

• Typ des Druckluftkompressors, Lastgrad und Betriebsbedingungen
• Kühlverfahren, beispielsweise Luftkühlung, Ölkühlung oder Wasserkühlung
• Installationsort und Wärmeübertragungsweg der Abwärmerückgewinnungsanlage
• Rohrleitungsisolierung, Fluidflussrate und Temperaturdifferenzstabilität
• Ob die Wärme kontinuierlich verfügbar ist und ob das Wärmeabgabesystem dazu passt.

Verwendungsempfehlung

Bei der Durchführung einer Energieeinsparungs‑Bilanzierung wird empfohlen, den Wärmeumwandlungsgrad in die theoretische Erzeugungsquote, die rückgewinnbare Quote sowie die tatsächlich genutzte Quote zu zerlegen und jeweils separat zu analysieren. Für die Projektabnahme oder die Bewertung von Energieeffizienz‑Sanierungen sind vor Ort relevante Daten wie Betriebszeit, Stromverbrauch, Durchflussmenge sowie Ein- und Austrittstemperaturen zu erfassen; zudem ist der Berechnungsprozess aufzubewahren, um eine Nachprüfung zu ermöglichen.