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Kompressorsysteme Berührungslos auf kleinstem Raum

| Autor / Redakteur: Patrik Fröhlich / Florian Stocker

Gasgelagerte, miniaturisierte Turbokompressoren ermöglichen einen verschleiß- und ölfreien Betrieb mit höchstem Wirkungsgrad. Die Technik erweitert so den Horizont für Industrieanwendungen, in denen ein Einsatz der Geräte bisher kaum denkbar war.

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Die Gaslagerung eröffnet Turbokompressoren völlig neue Anwendungsfelder.
Die Gaslagerung eröffnet Turbokompressoren völlig neue Anwendungsfelder.
(Bild: Kurt Wettstein)

Weniger Raum bedeutet bei Kompressoren häufig: mehr Komplexität. Eine Regel, die besonders im Falle miniaturisierter Turbokompressoren gilt. Diese konnten bisher aufgrund großer Herausforderungen beim Entwurf, der Fertigung und dem Betrieb noch nicht in industriellen Wärme- und Kälteanlagen eingesetzt werden. Der Hauptgrund dafür liegt in den durch die Miniaturisierung bedingten hohen technischen Hürden. Der führende Schweizer Hersteller von ultrahochdrehenden elektrischen Antriebssystemen, Celeroton, skizzierte diese Herausforderungen im Rahmen der letzten Tagung des Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Vereins (DKV) und zeigte gleichzeitig mögliche Lösungsansätze auf, um die miniaturisierten Kompressoren auch für industrielle Anwendungen nutzbar zu machen. (Klicken Sie hier für die gesamte Studie)

Einen wichtigen Faktor stellt dabei vor allem die Lagerungsart dar: Denn um hohe Lebensdauern bei Drehzahlen über 200.000 min-1 zu erreichen, ist der Einsatz von kontaktlosen Lagerungen notwendig. Die Celeroton-Gaslagertechnik bringt diese Eigenschaften mit.

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Der Hintergrund: Ein Turbokompressor mit Gaslagerung beinhaltet diverse Einzeltechnologien wie aerodynamische Verdichterkomponenten, einen elektrischen Antriebsmotor und die Lagerung. Die Lagerungsart (zum Beispiel Gaslager, Magnetlager oder Kugellager) bestimmt dabei maßgeblich die Lebensdauer des Kompressors. Durch die Miniaturisierung und die damit verbundene hohe Leistungsdichte spielt auch die thermische Systemauslegung eine entscheidende Rolle und erst das Zusammenspiel verschiedener technischer Disziplinen (Aerodynamik, Elektrotechnik und Fluiddynamik) ermöglicht den robusten Entwurf einer solchen Maschine.

Typische Anforderungen an Kompressoren für Wärme- und Kälteanlagen sind eine hohe Effizienz, lange Lebensdauer und geringe Kosten. Für mobile Anwendungen (zum Beispiel in Brennstoffzellen-, Hybrid- und Elektrofahrzeugen) kommt außerdem die Forderung nach geringem Bauvolumen und Gewicht dazu. Je nach Anwendung und Kältemittelwahl sind zusätzlich Ölfreiheit, um ein Aufschäumen zu verhindern und den Wärmeübergang zu verbessern, und geringe Vibrations- und Lärmentwicklung entscheidende Faktoren. Für viele dieser Anforderungen bietet der Einsatz eines Turbokompressors Vorteile gegenüber klassischen Kompressortypen, wie etwa Hubkolben- oder Scroll-Kompressoren. Denn durch die hohe Drehzahl kann sowohl der Motor wie auch die Aerodynamik miniaturisiert und damit die Leistungsdichte deutlich gesteigert werden. Zudem haben Turbomaschinen systembedingt üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad als klassische Kompressortypen.

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