Wirkungsgradsteigerung Abluftnutzung erhöht Effizienz pneumatischer Schaltungen

Autor / Redakteur: Christian von Grabe und Hubertus Murrenhoff / Josef-Martin Kraus

Ersetzt ein Ejektor die Abluftdrossel in einer pneumatischen Schaltung, steigt der Wirkungsgrad des Antriebs. Mithilfe des Ejektors wird ein Luftstrom aus der Umgebung zusätzlich zum Abluftstrom für die Befüllung eines Niederdruckspeichers genutzt, der den Eingangsdruck für den Kompressor liefert. Verdichterarbeit wird eingespart.

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Bild 1: Die Energieeffizienz konventioneller pneumatischer Verpackungsmaschinen lässt sich erhöhen, indem der Abluftstrom zur Drucklufterzeugung genutzt wird.
Bild 1: Die Energieeffizienz konventioneller pneumatischer Verpackungsmaschinen lässt sich erhöhen, indem der Abluftstrom zur Drucklufterzeugung genutzt wird.
(Bild: Festo)

Die Pneumatik findet ihre Hauptanwendung in der Automatisierungstechnik. Dort übernimmt sie Positionier-, Bewegungs-, Greif- und Spannaufgaben. Kennzeichnende Merkmale für pneumatische Lösungen sind die niedrigen Anschaffungskosten, die prinzipbedingte Überlastsicherheit und die hohe Anwendungsflexibilität aufgrund des einfachen Systemaufbaus.

Geschlossener Kreis soll Speicherschaltungen in der Pneumatik ersetzen

Jedoch hat die Pneumatik aus energetischer Sicht einen Nachteil. Die erzeugte Druckluft wird zum Teil ungenutzt in die Umgebung abgeblasen. Das ist zum Beispiel bei konventionellen, schaltpneumatischen Systemen üblich und hinsichtlich der Energieeffizienz prinzipiell ungünstig. Schaltungstechnische Modifikationen können diesem Nachteil entgegenwirken.

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Dazu wurden in der Vergangenheit Speicherschaltungen entwickelt, die es ermöglichen, einen Teil der ansonsten verlorenen Energie weiterzuverwenden [1 bis 4]. Bei diesen Schaltkonzepten erweist sich der komplexe Systemaufbau mit einer größeren Anzahl zusätzlicher Komponenten sowie die größere Anzahl an benötigten Stellsignalen für die Ventile als nachteilig.

Ein neues Konzept sieht den Betrieb der Pneumatik in einem quasi geschlossenen Kreis vor. Es wurde am Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) der RWTH Aachen entwickelt. Dieses Konzept vermeidet einen komplexen Systemaufbau. Dennoch hält es die Flexibilität heutiger Anlagen aufrecht, indem ein Ejektor Leckageverluste und anwendungsbedingte Luftmassenverluste ausgleicht (Bild 1).

Einfaches Schaltungskonzept mit Energierückgewinnung

Bild 2 (siehe Bildergalerie) zeigt ein konventionelles, abluftgedrosseltes System und das gleiche System, ergänzt um Komponenten zur Abluftnutzung, im direkten Vergleich. Die Abluftdrosselung des konventionellen Systems erlaubt auf sehr einfache Weise die Vorgabe der Antriebsgeschwindigkeit. Dadurch kommt das Prinzip der Abluftdrosselung in einem Großteil der pneumatischen Systeme zum Einsatz. Die Abluftdrossel ist mit der Niederdruckseite des Zylinderantriebes verbunden. Bei kritischer Durchströmung des Drosselelements wird dem Abluftstrom ein konstanter Volumenstrom aufgeprägt, wodurch eine näherungsweise konstante Aktorgeschwindigkeit erzielt wird.

Bei der Schaltung mit Abluftnutzung übernimmt ein Ejektor die Funktion der konventionellen Abluftdrossel. Um die Antriebsgeschwindigkeit auf gleiche, einfache Weise wie bei der Abluftdrossel justieren zu können, wurde eine im Querschnitt einstellbare Ejektortreibdüse entwickelt. Mithilfe des Ejektors wird ein Luftmassenstrom aus der Umgebung eingesaugt und zusätzlich zum Abluftmassenstrom des Antriebs zur Befüllung eines Niederdruckspeichers genutzt. Auf diese Weise lassen sich Leckageverluste und beabsichtigte Luftentnahmen aus dem System ausgleichen. Dabei erfolgt der Betrieb im quasi geschlossenen Kreis. Ein Ejektorventil, das den Sauganschluss des Ejektors mit der Umgebung verbindet und gegebenenfalls den Nachdruck der Treibdüse reduziert, gewährleistet eine identische Bewegungscharakteristik im Vergleich zu konventionellen, abluftgedrosselten Antrieben.

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