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Fluidtechnik

Öleingespritzte Kompressoren profitieren von optimierten Filtrationssystemen

11.09.2009 | Autor / Redakteur: Bertram Bartelt / Josef-Martin Kraus

Bild 1: Die Filtrationskette öleingespritzter Kompressoren besteht aus Luftfilter (a), Ölfilter (b) und Luftentölelement (c). Alle drei Teile beeinflussen den Energieverbrauch.
Bild 1: Die Filtrationskette öleingespritzter Kompressoren besteht aus Luftfilter (a), Ölfilter (b) und Luftentölelement (c). Alle drei Teile beeinflussen den Energieverbrauch.

Der Differenzdruck am Luft- und Ölfilter sowie am Luftentölelement beeinflusst den Energieverbrauch öleingespritzter Kompressoren. Deshalb wird die Durchströmung dieser Filtrationskette durch CFD-Simulation optimiert. In der Anwendung besteht die Möglichkeit, über die Leistungsfähigkeit, Qualität und Menge des eingespritzten Öls Einfluss auf den Energieverbrauch zu nehmen.

Ein Schwerpunkt bei der Entwicklung öleingespritzter Schraubenkompressoren ist die Senkung des Energieverbrauchs. Weil dieser proportional zum Druckverlust ansteigt, kommt einer Optimierung der eingesetzten Filter eine besondere Bedeutung zu. Sie leisten einen signifikanten Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz.

Druckluft ist ein unentbehrliches Hilfsmittel in Industrie und für Bauunternehmen. Für die Bereitstellung in unterschiedlicher Qualität werden in den meisten Fällen öleingespritzte Schraubenkompressoren eingesetzt. Diese Aggregate haben sich seit Jahren für diese Aufgabe bewährt, obwohl die erforderliche Energie für deren Betrieb rund 75% der gesamten Betriebskosten ausmacht. Daher gewinnen Einsparungen im Zuge der steigenden Energiekosten und der CO2-Emissionen gerade heutzutage immer mehr an Bedeutung. Eine gute Energieeffizienz ist abhängig von der Leistung der fest eingebauten Komponenten eines Kompressors sowie den austauschbaren Teilen wie Luft- und Ölfilter, inklusive Luftentölelement. Diese drei Teile bilden eine zusammenhängende Filtrationskette (Bild 1).

Druckverlustminimierung durch CFD-Simulation

Seit rund 40 Jahren entwickelt und fertigt Mann + Hummel Luftentölelemente für Druckluftanlagen. Der Fokus der Forschungs- und Entwicklungsarbeit liegt auf der Leistungssteigerung hinsichtlich Restölgehalt, Lebensdauer und Energieeffizienz. So werden zur Minimierung des Druckverlusts bereits in frühen Entwicklungsstadien CFD-Simulationen durchgeführt (Bild 2). Diese computergestützten Strömungsmodelle visualisieren unterschiedliche Geschwindigkeiten. Dadurch lässt sich das Design gezielt optimieren. Denn gerade Bereiche mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten führen zu einem Druckverlust und damit höheren Energiekosten.

Ähnliches gilt für die Darstellung dynamischer Abscheidevorgänge (Bild 3). Denn auch die Beladung von Filtern und Filtermedien mit feinsten Öltröpfchen oder Partikeln im Größenbereich von wenigen Mikrometern bis hinab in den Submikronbereich beeinflusst die Energieeffizienz. Die für eine Optimierung eingesetzten Tools sind zum Teil auf dem Markt erhältlich, wurden aber auch von Mann + Hummel entwickelt. Unterstützt werden diese Maßnahmen auf wissenschaftlicher Ebene durch Kooperationen in Forschungsprogrammen mit namhaften Universitäten.

Die Ergebnisse sind Filtermedien mit optimierten Aufbauten und Strukturen. Aufgrund erhöhter Filterfeinheit und verbesserter Schmutzspeicherkapazität bieten sie deutlich geringere Druckverluste und senken somit den Energieverbrauch. Diese Optimierungen sind genau auf die Filter beziehungsweise Filtersysteme des jeweiligen Kompressors zugeschnitten. Wichtig dabei ist der ganzheitliche Ansatz, denn nur mit einer Optimierung des Gesamtsystems lassen sich hocheffiziente und maximal energiesparende Kompressoren realisieren.

Energieeinsparung steigt mit sinkendem Differenzdruck

Die Filtrationskette in einem Kompressor beginnt mit dem Luftfilter, über den die angesaugte Luft aus der Umgebung dem Verdichter zugeführt wird. Bereits in dieser Stufe ist eine Steigerung der Energieeffizienz möglich. So liegt das Einsparpotential aufgrund der Reduzierung des Differenzdrucks um 10 mbar bei circa 36 Euro im Jahr. Technische Grundlage für diese Rechnung ist ein 50-hp-Kompressor mit etwa 5 m³/min Volumenstrom.

Ein wichtiger Faktor ist natürlich auch der Grad der Abscheidung. Denn je mehr Partikel abgetrennt werden, umso höher fällt die mögliche Energieeinsparung in den folgenden Filterstufen aus. Der Ölfilter verhält sich in Bezug auf Druckverlust ähnlich wie der Luftfilter. Nun ist die absolute Zunahme des Druckverlusts bei der Filtration der Ansaugluft und des Öls im Vergleich zu den weiteren Filtrationsstufen eher gering. Bei den Luftentölelementen sieht dies dagegen anders aus.

Bei den Luftentölelementen betragen Differenzdruckunterschiede bis zu 100 mbar. Das Einsparpotenzial ist also deutlich höher. Aus einer Anwendung mit 100 mbar Differenzdruck resultiert eine Einsparung von 45 Euro. Die damit erforderliche Reduzierung des Druckverlusts kann auf unterschiedliche Art und Weise erzielt werden. Der einfachste Weg ist, die Oberfläche des Luftentölelements zu vergrößern. Leider widerspricht dies meist den Vorgaben, die Maschinengröße – vor allem aber den Druckbehälter – so klein wie möglich zu halten. Aus diesem Grund bleibt nur die Möglichkeit, ein leistungsstärkeres Abscheidemedium einzusetzen.

 

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