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.

Bildergalerie

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.

Weniger Berührung, mehr Lebensdauer

Maßgeblich für die Wahl der Lagerungsart ist die Betriebsdauer von Kompressorsystemen. Bei Wärmepumpenkompressoren im Gebäudebereich wird diese mit etwa 20 Jahren veranschlagt. Für diese Lebensdauer eignen sich bei Drehzahlen von über 200.000 min-1 allerdings nur Lagerungsarten, die durch eine berührungsfreie Betriebsweise mechanischen Verschleiß komplett vermeiden. Bei Gas- oder Magnetlagern ist das der Fall. Ebenso arbeiten beide Lagerungsarten ohne Schmierfett/-öl was besonders bei Wärmepumpenkompressoren Vorteile bringt, da dadurch ein Aufschäumen des Kältemittels deutlich reduziert wird. Der Wärmeübergang in den Wärmeübertragern bleibt dadurch konstant hoch.

Magnetlagersysteme enthalten Aktoren, Sensoren, Leistungsverstärker, Regelung und Notlauflager und erhöhen damit die Systemkomplexität teilweise stark. Dieser Aufwand ist bei größeren Wärmepumpen und Kälteanlagen durchaus vertretbar. Doch was, wenn sich der Einsatz von Magnetlagern aufgrund einer geringeren Dimensionierung nicht lohnt? Dabei können Gaslager die Lösung sein. Gaslager – insbesondere dynamisch arbeitende – können im Vergleich zu Magnetlagern sehr kompakt aufgebaut werden und tragen so dem Anspruch an Miniaturisierung in kleinen Anlagen Rechnung.

Schweben auf dem Gasfilm

Das Arbeitsprinzip eines dynamischen Gaslagers ist dabei wie folgt: Durch die Rotationsbewegung zwischen Welle und Lagerbüchse wird ein Gasfilm aufgebaut. In exzentrischer Lage wird dabei im sich verengenden Lagerspalt eine lokale Druckerhöhung erzeugt, sodass eine Rückstellkraft entsteht, die die Welle wieder zurück in die Zentrumsposition bewegt. Dadurch findet keine Berührung statt und der Prozess verläuft so weitgehend verschleißfrei.

Eine grundlegende Herausforderung beim Einsatz von Gaslagern ist dabei die Stabilität des Lager-Rotor-Systems, welche unter allen im Betrieb auftretenden Umgebungsdrücken und Temperaturen garantiert werden muss. Der Hintergrund: Selbsterregte Instabilitäten sind bei sämtlichen Fluidlagerarten ein bekanntes Phänomen. Sie treten im Allgemeinen dann auf, wenn im Betrieb eine zu hohe sogenannte Kreuzkopplungssteifigkeit (das heißt eine zur exzentrischen Rotorlage tangentiale Kraftkomponente) bei gleichzeitig dafür zu niedriger Dämpfung vorliegt. Die Lagereigenschaften und damit auch Stabilität des Lagers hängt maßgeblich von den Lagerabmaßen, der Fluidviskosität aber auch vom Betriebsdruck und der Betriebstemperatur ab. Entsprechend müssen in einer robusten Lagerauslegung Fertigungstoleranzen, Betriebsdrücke und Druckabweichungen (zum Beispiel unterschiedliche Arbeitsdrücke beim Kühl- und Heizbetrieb in einer Wärmepumpe) berücksichtigt werden. Ebenso muss die Fluidtemperatur im Lager in die Lagerauslegung miteinbezogen werden, welche je nach Betriebsart und Kühlbedingung variiert und wesentlich die Viskosität des Fluids im Lager bestimmt.

Die von Celeroton im Rahmen der DKV-Tagung vorgelegte Studie beschreibt detailliert und anhand von Fallbeispielen, wie Lagerauslegung und Rotordynamik eng mit den Fachbereichen Aerodynamik, Elektrotechnik und Fluiddynamik verknüpft und gegenseitig voneinander abhängig sind. Anwendungsbezogene Vorgaben von zum Beispiel Ein- und Ausgangsdruckniveaus, Massenstrom, Kühlbedingungen oder Angaben zur Vibrationsbeständigkeit haben dabei Einfluss auf sämtliche Teilbereiche.

Auf aerodynamischer Seite sind die Tip Clearance, die Reynoldszahl sowie die Oberflächenrauigkeit besonders wichtige Faktoren (mehr Informationen in der kompletten Studie). Abhängig von den Prozessrandbedingungen haben diese Parameter einen deutlichen Einfluss auf die Leistung der Turbomaschine.

Die Quintessenz: Bei der Auslegung eines Gaslagers ist die interdisziplinäre Verknüpfung im Gesamtauslegungsprozess besonders wichtig (siehe Bildergalerie). Gaslager können damit unter Berücksichtigung von umfassenden System- und Fertigungsspezifikationen auch für miniaturisierte Turbokompressoren ausgelegt werden.

Anwendungsfeld konsequent erweitert

Zusammengefasst ermöglichen ultrahochdrehende und öfreie Turbokompressoren mit Gaslagerung das Erschließen völlig neuer Anwendungsfelder. Ihre Kompaktheit, ihre hohe Lebensdauer und das geringe Gewicht bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad machen die Systeme im Vergleich zu Kompressoren mit Standarddrehzahlen bis zu hundertmal kompakter und leichter bei höchster Effizienz.

Celeroton deckt mit seinen gasgelagerten Turbokompressoren CT-17-700.GB und CT-17-1000.GB Druckverhältnisse bis 1,65, Massenströme bis zu 24 g/s und Volumenströmen bis 1200 slpm in Luft ab. Aufgrund der berührungslosen Gaslagerung ist eine hundertprozentig öl- und schmiermittelfreie Kompression von Luft sowie Kältemitteln und Fluiden möglich. Die Turbokompressoren können auf verschiedenste Fluide und für unterschiedliche Eintrittsbedingungen kundenspezifisch adaptiert werden.

„Mit der Entwicklung der gasgelagerten Turbokompressoren ist uns ein Meilenstein auf diesem Gebiet gelungen“, erklärt Christof Zwyssig, Geschäftsführer und Leiter Forschung und Entwicklung beim Schweizer Unternehmen. „Die ersten Kundenresonanzen der Kompressoren im Feldtest sind hervorragend und zeigen die Innovationskraft unseres Flaggschiffes“, ergänzt Martin Bartholet, Geschäftsführer und Leiter des Vertriebes bei Celeroton.

Dezentral einsetzbar

Druckluft- oder Vakuumanlagen werden fast überall dort eingesetzt, wo produziert wird. Dabei sind häufig lange Pneumatikverrohrungen nötig, die allerdings wartungsanfällig sind. Ein Celeroton-Turbokompressor kann hingegen dezentral eingesetzt werden, also dort, wo die Druckluft beziehungsweise das Vakuum benötigt werden. Das System trägt zudem dazu bei, den Energieverbrauch zu senken, da leckageanfällige Druckluftsysteme oder energiehungrige Ejektoren ersetzt werden können. Kombiniert mit Celeroton-Umrichtern für AC- und DC-Speisung, analogen und digitalen Schnittstellen sowie CAN, USB, RS232 und RS485 stehen dem Anwender umfangreiche Integrationsoptionen zur Verfügung. Die ursprünglich für Brennstoffzellen entwickelten Turbokompressoren von Celeroton erweitert demnach den Horizont für weitere Anwendungsgebiete, in denen der Einsatz von miniaturisierten Turbokompressoren bisher nur sehr limitiert oder gar nicht denkbar war: Diese liegen etwa in wartungsarmen Klimaanlagen und Wärmepumpen, der mobilen Beatmungstechnik und Sauerstoffanreicherung sowie im Bereich der Hightechgebläse. Weitere Anwendungen, bei denen vor allem das Gewicht und die Lebensdauer eine wichtige Rolle spielen, wie etwa die Kühlung von Elektronik von Satelliten, sind ebenso denkbar. MM

* Patrik Fröhlich ist Sales-Manager bei der Celeroton AG, 8604 Volketswil (CH), Tel. (+41) 44 250 52 32, patrik.froehlich@celeroton.com

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