Abluftnutzung erhöht Effizienz pneumatischer Schaltungen

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IFAS Institut f.FLUID-techn. Antriebe und Steuerungen

VDMA e.V. Fluidtechnik

Druckhöhe im Niederdruckspeicher legt Energieeinsparpotenzial fest

Die Höhe des erreichbaren Druckes im Niederdruckspeicher legt das erzielbare Einsparpotenzial im Wesentlichen fest. Außerdem muss sichergestellt werden, dass der in den Niederdruckspeicher geförderte Luftmassenstrom stets größer oder gleich dem Massenstrom ist, der zum Betrieb des pneumatischen Systems benötigt wird. Ist das nicht der Fall, sorgt das Nachsaugventil dafür, dass der fehlende Luftmassenstrom aus der Umgebung eingesaugt werden kann (Bild 2). Dadurch steigt der Energiebedarf wieder auf das Niveau des konventionellen Schaltungsaufbaus. Gleichung (1) beschreibt die spezifische Verdichterarbeit w für eine polytrope Verdichtung (Polytropenexponent n = 1,3) vom Umgebungsdruck p_U = 1 bar auf den Versorgungsdruck p_Vers = 6,5 bar (Absolutdruck) [5].

Für das System mit Abluftnutzung wird der Umgebungsdruck p_U durch den höheren Speicherdruck p_Sp substituiert. Die Reduktion der Verdichterleistung kann nach (1) aus dem Verhältnis der spezifischen Verdichterleistung für die Kompression, ausgehend von einem erhöhten Niederdruckniveau p_Sp und vom Umgebungsdruck p_U, bestimmt werden. Für die Berechnung wird angenommen, dass die Temperatur T_Sp im Niederdruckspeicher gleich der Umgebungstemperatur T_U ist. Aufgrund des identischen Systemverhaltens kann mit der spezifischen Verdichterleistung gerechnet werden.

Durch die Erfassung der Luftmassenströme über mehrere Bewegungszyklen lässt sich das Verhältnis aus dem in den Niederdruckspeicher geförderten Massenstrom und dem Versorgungsmassenstrom bestimmen. Bild 6 zeigt das erreichte Massenstromverhältnis, das mit dem Demonstrator im betrachteten Zyklus in Abhängigkeit vom Druck des Niederdruckspeichers erreicht wurde. Zu jedem erzielbaren Druck im Niederdruckspeicher ist die nach (1) berechnete Reduktion der Kompressionsleistung ebenfalls in Bild 6 vermerkt.

Bei einem Massenstromverhältnis von 1 entspricht der zum Betrieb des Demonstrators aufgewendete Luftmassenstrom dem rekuperierten Massenstrom. In diesem Betriebszustand wird die maximal mögliche Reduktion der Verdichterleistung von 32 % erzielt. Weil jedoch das energetische Einsparpotenzial wesentlich vom Anwendungsfall abhängig ist, haben die Ergebnisse nur für den in Bild 4 dargestellten Aufbau Gültigkeit. Sie können nicht ohne Weiteres verallgemeinert werden.

Vereinfachte Aus- und Nachrüstung abluftgedrosselter Antriebe

Das entwickelte Konzept bietet eine einfache Möglichkeit der Energierückgewinnung bei abluftgedrosselten Antrieben. Die simple Verschaltung vereinfacht die Nachrüstung bestehender Anlagen sowie die Integration in zukünftige Systeme. Die vorgestellten Ergebnisse wurden im Rahmen des Projekts „Wirkungsgradsteigerung durch Abluftnutzung“ erarbeitet, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AIF) finanziell gefördert wurde. Die industriedominierte Forschungsvereinigung Fluidtechnik des VDMA begleitet und unterstützt das Projekt.

Literatur

• [1] Giesen, N.: Energiesparende Pneumatik. Fluid 6/1982, S. 36–39.

• [2] Li, T. C., H. W. Wu und M. J. Kuo: A Study of Gas Economizing Pneumatic Cylinder. Journal of Physics: Conference 48/2006, S. 1227–1232.

• [3] Shen, X., und M. Goldfarb: Energy Saving in Pneumatic Servo Control Utilizing Interchamber Cross-Flow. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control 3/2007, S. 303–310.

• [4] Patent DE 000019721759 A1: Verfahren zur Energiereduzierung an pneumatischen Antrieben.

• [5] Murrenhoff, H.: Grundlagen der Fluidtechnik, Teil 2: Pneumatik. Aachen: Shaker-Verlag 2006.

* Dipl.-Ing. Christian von Grabe ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) der RWTH Aachen. Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff ist Direktor des Instituts.

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