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Druckluft

Antriebstechnik steigert Kompressoreffizienz

| Autor / Redakteur: Klaus Lechleitner / Rebecca Vogt

Die neue Ultima-Baureihe in den Leistungsab-
stufungen von 75 bis 
160 kW deckt ein Volumenstromspektrum von 6,7 bis 23,3 m³/min ab.
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Die neue Ultima-Baureihe in den Leistungsab-
stufungen von 75 bis 
160 kW deckt ein Volumenstromspektrum von 6,7 bis 23,3 m³/min ab. (Bild: Comp-Air)

Die Kompressoren der Baureihe Ultima verwenden eine digital geregelte Antriebstechnik, bei der jede Verdichterstufe über einen eigenen Elektromotor angetrieben wird. Bei der Erzeugung öl- und silikonfreier Druckluft sorgen die neuen Verdichter außerdem für eine effiziente Wärmerückgewinnung.

Kolben oder Schraube, feste Drehzahl oder drehzahlgeregelt, ölgeschmiert oder ölfrei arbeitend, luft- oder wassergekühlt: Das sind im Bereich der Druckluft seit mehreren Jahrzehnten die Alternativen, die sich dem Anwender bieten, wenn er die Anschaffung eines neuen Kompressors plant. Man kann das positiv sehen und feststellen, dass die etablierten Verdichtungsprinzipien und Antriebstechniken sehr ausgereift sind. In Bezug auf Wirtschaftlichkeit und Wirkungsgrad gibt es jedoch weiterhin Verbesserungsbedarf.

Für die Entwickler im Comp-Air-Werk in Simmern/Hunsrück war das Anlass, die Grundkonzeption der ölfreien Drucklufterzeugung infrage zu stellen und neu zu denken. Das Ergebnis dieser Entwicklungsarbeit sind die Kompressoren der Ultima-Baureihe, deren Serienproduktion 2017 gestartet wurde und die inzwischen weltweit zum Einsatz kommen.

Die Ultima-Kompressoren wurden im Rahmen der Pure-Air-Serie des Herstellers entwickelt. Sie sind in verschiedenen Leistungsabstufungen von 75 bis 160 kW verfügbar und darauf ausgelegt, effizient qualitativ hochwertige, ölfreie Druckluft zu erzeugen. Ein weiterer wichtiger Punkt im Pflichtenheft war auch, die Baugröße der Kompressoren deutlich zu reduzieren. Die Kompressoren bieten eine um bis zu 13 % höhere Energieeffizienz bei bis zu 37 % geringeren Abmessungen.

Die Antriebstechnik sorgt für geringeren Energiebedarf

Hauptursache für diesen Entwicklungssprung ist dabei die Antriebstechnik. Konventionelle ölfreie Schraubenverdichter arbeiten zweistufig, wobei ein zentraler Drehstrommotor über ein mechanisches Getriebe die beiden Verdichterstufen antreibt. Aus dem festen Verhältnis der Drehzahlen – unabhängig von der Regelung des Einzelmotors – resultieren in der Praxis Effizienzverluste: Beide Verdichterstufen müssen stets gleichzeitig beschleunigen und verlangsamen.

Bei der Ultima-Baureihe wird jede Verdichterstufe über einen eigenen Elektromotor angetrieben. Zum Einsatz kommen drehzahlgeregelte Permanentmagnetmotoren, die in Simmern speziell für diese Anwendung entwickelt wurden. Sie arbeiten mit Drehzahlen von bis zu 22.000 min-1 und haben höhere Wirkungsgrade als IE4-Motoren. Das bedeutet: Beide Stufen können bedarfsgerecht die gewünschte Luftleistung erzeugen. Ein elektronisches Getriebe überwacht die Drehzahlen der beiden Antriebe und passt sie kontinuierlich an, um einen hohen Wirkungsgrad und gute Druckverhältnisse zu gewährleisten. In der Praxis führt dies – bei identischen Liefermengen – zu einer Verringerung des Energiebedarfs. Dazu trägt zum einen das Konzept der PM-Motoren bei, zum anderen der separate, präzise regelbare Antrieb der beiden Stufen.

Die Entwickler der Kompressoren haben zudem besonderes Augenmerk auf einen geringen Energieverbrauch im Leerlauf gelegt. Ein Ultima-Verdichter verbraucht im Leerlauf rund 45 % weniger Energie als ein herkömmlicher zweistufiger Kompressor. Schon eine elektrische Leistung von 8 kW reicht so für den Leerlaufbetrieb einer 160-kW-Maschine aus.

Mit einem Geräuschpegel von 69 dB(A) sind die Kompressoren sehr leise. Das bedeutet, dass die Maschinen auch außerhalb von Kompressorräumen, in der Nähe zum Verbrauchsort der Druckluft, installiert werden können. Die grundlegende Neukonstruktion führte außerdem dazu, dass rund 20 % weniger Teile benötigt werden als bei einem herkömmlichen ölfreien Kompressor. Das verringert nicht nur den Bauraum, es reduziert auch den Serviceaufwand.

Geschlossener Wasserkühlkreislauf führt Wärme am Entstehungsort ab

Zur Energieeinsparung trägt auch das Kühlkonzept bei. Rund 94 % der vom Kompressor verbrauchten Energie werden in Wärme umgewandelt. Es ist daher wichtig, diese (Ab-)Wärme umfassend zu nutzen. Die Entwickler verzichteten auf die zumeist verwendete Luftkühlung. Stattdessen kommt nun ein geschlossener Wasserkühlkreislauf zum Einsatz, der überall dort Wärme abführt, wo sie entsteht – an den Motoren, den Wechselrichtern, am Verdichterblock und im Ölkreislauf. Dies führt zu einer Verbesserung der Wärmerückgewinnung um bis zu 12 % im Vergleich zu einem herkömmlichen zweistufigen ölfreien Kompressor. Der kompakte Wasserkreislauf ist auch ein Grund für die platzsparende Bauweise der Verdichter. Durch die verbesserte Wärmebilanz können die Ultima-Maschinen zudem mit geringem Abstand zueinander aufgestellt werden.

Für einen größtmöglichen Wirkungsgrad sollte die in den Kompressor eintretende Luft so kühl und dicht wie möglich sein. Bei der Entwicklung achteten die Ingenieure deshalb darauf, dass keine warme Luft in den Kompressorraum geleitet wird. Die warme Luft wird stattdessen im Maschinengehäuse gesammelt, über einen Wärmetauscher gekühlt und zurückgeleitet. So wird keine Wärme verschwendet, Staub- oder Fremdkörper können nicht in den Kompressor eindringen und die Ansaugluft bleibt kühl. Der Anwender kann auf die aufwendige und raumgreifende Installation zusätzlicher Luftkanäle verzichten.

Aktuell befinden sich die ersten Ultima-Kompressoren unter anderem in den sensiblen Bereichen der Nahrungsmittel- und Getränkeproduktion im Einsatz. Alle Kompressoren haben dabei bislang die in sie gesetzten Erwartungen erfüllt.

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