Druckluft Wassereingespritzte Schraubenkompressoren sorgen für ölfreie Druckluft

Für viele Unternehmen ist ölfreie Druckluft ein Muss – und das nicht nur als Voraussetzung für eine störungsfreie Produktion. Ölfreie Druckluft ist erforderlich, wenn die Druckluft mit den sensiblen Produkten oder mit deren Verpackung in Berührung kommt. Ein Beispiel für ölfreie Druckluft-Erzeugung ist der Kunststoff-Verarbeiter Schlosser, der auf wassereingespritzte Schraubenkompressoren setzt.

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Klinkhammer Intralogistics GmbH

GGB Heilbronn GmbH

Weil Technology GmbH

ALUP Kompressoren GmbH

Zur ölfreien Druckluft kann man über zwei Hauptschienen gelangen. Man kann sie ölfrei mit sogenannten trockenlaufenden Schrauben- oder Kolbenkompressoren erzeugen. Dies bedeutet hohe Investitionskosten und – bedingt durch die kurzen Standzeiten der Verdichterstufen bei Schraubenkompressoren und der Kolben und Kolbenringe bei Kolbenkompressoren – beträchtliche kontinuierliche Wartungskosten.

Ölfreie Aufbereitung der Druckluft kostengünstiger

Wer das nicht will, entscheidet sich bei größerem Bedarf für die Erzeugung mit öleingespritzten Schraubenkompressoren und bereitet die Druckluft anschließend ölfrei auf. Diesen Weg beschreitet aktuell die Schlosser GmbH, ein hochspezialisierter Kunststoff-Verarbeiter in Knittlingen bei Bretten in Baden-Württemberg.

Doch ab Herbst 2007 geht das Unternehmen noch einen Schritt weiter: Für das dann bezugsfertige neue Werk wird der Hersteller von medizintechnischen Präzisionsartikeln die ölfreie Druckluft für ein vollkommen getrenntes Netz ölfrei erzeugen – und zwar mit wassereingespritzten Schraubenkompressoren.

Drehzahlgeregelte Anlagen senken Verbrauch an elektrischer Energie

Diese neuen Anlagen werden drehzahlgeregelt sein, genau wie zwei bereits in Betrieb befindliche Schraubenkompressoren. Hintergrund ist der sparsame Umgang mit elektrischer Energie.

Das 1969 gegründete Unternehmen begann zunächst mit den Schwerpunkten Werkzeugbau und Kunststoffspritzerei. Schon zwei Jahre später belieferte man die optische Industrie mit Brillengestellen, etwas später auch mit Brillengläsern. Seit der Übernahme durch Peter Pronath im Jahr 1978 expandiert der High-Tech-Betrieb kontinuierlich.

Heute beliefert das kunststoffverarbeitende Unternehmen mit seinen 105 Mitarbeitern viele führende pharmazeutische Betriebe. Gefertigt werden vor allem Pipetten und medizintechnische Verbrauchsprodukte, die jährlich in dreistelliger Millionenstückzahl die Produktionsstätten in Knittlingen verlassen. Einen Schwerpunkt bildet die hochmoderne, vollautomatisierte Produktion von Messküvetten, Pipettenspitzen für Blut und Reagenzröhrchen, insgesamt rund 1,5 Milliarden Teile im Jahr 2006.

95% der Fertigungsfläche unterliegen den Kriterien der Reinraumtechnik nach GMP-Norm Klasse 100 000 oder besser. Gearbeitet wird in drei Schichten von Sonntag 22 Uhr bis Samstag 14 Uhr. In den Freischichten werden Wartungen durchgeführt und Ersatzteile ausgetauscht.

Schraubenkompressoren haben geringeren Ölanteil in der Druckluft

Begonnen hat die Druckluftversorgung vor vier Jahrzehnten im Werkzeugbau mit einem kleinen Alup-Zweizylinder-Kolbenkompressor. Bedingt durch den ständig steigenden Druckluft-Bedarf, stieg man aber schon bald auf Schraubenkompressoren um, nicht zuletzt wegen des geringeren Ölanteiles in der Druckluft.

Schlosser war bestrebt, die Anforderungen der Kunden im Voraus zu erahnen. Dazu zählte eine ständig verbesserte Druckluft-Qualität. Deshalb galt das besondere Augenmerk neben einer zuverlässigen und ausreichenden Versorgung immer dem Ölgehalt in der Druckluft, einem in der Medizintechnik besonders wichtigen Kriterium.

Die ältesten Anlagen der Druckluft-Station sind zwei Alup-Schraubenkompressoren mit Öleinspritzkühlung und fester Drehzahl (Typ SCK 31, Liefermenge je 3,54 m³/min, bezogen auf einen Betriebsüberdruck von 8 bar, Motornennleistung je 22 kW). Die von den beiden Kompressoren erzeugte Druckluft wurde zunächst nur durch Mikro-, Submikro- und Aktivkohlefilter aufbereitet.

Ständig steigender Druckluft-Bedarf führte 2002 zur Inbetriebnahme der ersten drehzahlgeregelten Alup-Anlage vom Typ Allegro 60 mit einer Liefermengenbandbreite von 1,73 bis 9,09 m³/min, bezogen auf einen Betriebsüberdruck von 8  bar, mit einer Motornennleistung von 60 kW.

Diese Anlage übernahm die Hauptlast, während die zwei SCK-Kompressoren nur noch als Redundanz vorgehalten wurden. Doch der Bedarf stieg weiter, so dass bereits 2005 die zweite geregelte Anlage baugleich installiert wurde.

Drehzahlgeregelte Verdichter laufen ohne Stromspitzen an

Die drehzahlgeregelten Verdichter laufen wegen der integrierten Sensorsteuerung Air Control 3 energieschonend ohne Stromspitzen an. Sie werden ohne Schaltspiele und ohne teure Last/Leerlauf-Zeiten kontinuierlich an den jeweiligen Druckluft-Bedarf angepasst, weil die Steuerung die Kompressoren mit einer Schaltpunkt-Differenz von nur 0,1 bar immer unmittelbar an den Bedarf anpasst.

Dadurch werden teure Leerlaufzeiten, in denen ein Schraubenkompressor noch immer 30% der investierten Energie aufnimmt, obwohl keine Druckluft produziert wird, auf ein Minimum gesenkt. Während des normalen Betriebs können Anlagen mit Leerlauf-Anteilen unter 1,0% gefahren werden.

Alte Druckluft-Kompressoren nur noch Reserve

Mit der Inbetriebnahme der Anlagen gab es bei Schlosser zwei gravierende Veränderungen. Zum einen wird die Druckluft nicht mehr wie bisher über Aktivkohlefilter, sondern über einen Aktivkohle-Adsorber ölfrei aufbereitet. Das bedeutet eine längere Standzeit und größere Zuverlässigkeit, da ein Filterdurchbruch ausgeschlossen werden kann. Außerdem werden zur Erzeugung der Druckluft fast ausschließlich nur noch die beiden geregelten Anlagen eingesetzt, während die zwei älteren SCK-Kompressoren als Reserve vorgehalten werden.

In der Praxis startet zunächst eine drehzahlgeregelte Anlage. Der zweite geregelte Verdichter wird zugeschaltet, sobald die erste Anlage eine Auslastung von etwa 90% erreicht. Dann geht der erste Kompressor in seiner Leistung so weit zurück, dass beide Verdichter mit gleicher Leistung arbeiten. Aktuell liegt die gleichzeitige gemeinsame Auslastung der beiden geregelten Druckluft-Erzeuger teilweise bei mehr als 80%.

Druckluft-Rohre durch Bypass-Leitungen miteinander verbunden

Risiko-Management ist Teil des Geschäftsalltages bei Schlosser. Reservekapazitäten – auch bei der Druckluft-Versorgung – sind daher ein wichtiger Bestandteil der Unternehmensphilosophie. Deshalb werden alle Versorgungsleitungen des Druckluftnetzes so geschaltet, dass die Versorgung bei Ausfall eines Teilbereiches sofort über Bypass-Leitungen sichergestellt werden kann. Außerdem wird die korrekte Druckluft-Versorgung mehrmals täglich vor Ort kontrolliert.

Aktuell steht bei Schlosser eine Gesamtleistung von mehr als 25 m³/min zur Verfügung, davon mehr als 50% als Redundanz. Um diese hohe Versorgungssicherheit auch zukünftig gewährleisten zu können, wurde zur Versorgung der neuen Halle 5 ein weiterer Schraubenkompressor aus der Opus-Baureihe (Typ Opus 45, Liefermenge 6,72 m³/min, Höchstdruck 10 bar, Motor-Nennleistung 45 kW) mit Öleinspritzkühlung bestellt. Diese neue Anlage wird zwar separat außerhalb der zentralen Station installiert, arbeitet aber in dasselbe Netz.

Die Anlage wird, genau wie die Hauptstation, mit Kältetrockner und Aktivkohle-Adsorber ausgerüstet. Sie soll innerhalb des bestehenden Systems als Grundlast-Anlage zusammen mit einem Allegro-Kompressor (Liefermengenbandbreite je 1,73 bis 9,09 m³/min) als Spitzenlast-Anlage arbeiten. Bei weiter steigendem Bedarf wird dann der zweite Druckluft-Erzeuger automatisch zugeschaltet. Die beiden älteren SCK-Anlagen mit ihrer Gesamtliefermenge von rund 7 m³/min werden weiterhin als Reserve vorgehalten.

Abwärme der Druckluft-Erzeugung wird genutzt

Zur Optimierung der Energienutzung wurde ein Abwärme-Konzept realisiert. Immerhin fallen rund 94% der für die Druckluft-Erzeugung eingesetzten elektrischen Energie als rückgewinnbare Wärme an, 4% verbleiben in der Druckluft und 2% gehen als Strahlungswärme verloren. 72% der Energie sind im Ölkreislauf gespeichert und können durch den Einbau eines Wärmetauschers entnommen und genutzt werden.

Die Abwärme wird bei Schlosser ganzjährig verwendet, um die über Klimaanlagen getrocknete und auf 5 bis 6 °C abgekühlte Luft aus den Produktionsräumen wieder zu erwärmen. Der Wärmebedarf dieses Bereichs wird ausschließlich von der Abwärme der Druckluft-Erzeugung gedeckt. Nicht genutzte Abwärme wird in den Vorlauf der Heizungsanlage eingespeist. Einen Ausnahmefall bilden Betriebsruhepausen, zum Beispiel über Weihnachten, in denen keine oder kaum Druckluft produziert wird.

Umstellung auf ölfreie Druckluft

Der Schritt zur ölfreien Druckluft-Versorgung wird bei Schlosser im Herbst 2007 mit der Inbetriebnahme des neuen Werks 2 auf dem Betriebsgelände in Knittlingen vollzogen. Mit dieser neuen Betriebsstätte mit 2500 m² Produktionsfläche und einer Lagerfläche von ebenfalls 2500 m² wird auch die Reinraumfläche des Unternehmens in der Klasse 100 000 vergrößert.

Bei Bedarf kann dieser Reinraumbereich auch für die strengeren Klassen 10 000 oder 1000 ausgelegt werden. Bei einem Reinraum in der Klasse 1000 sind maximal 35 200 Partikel mit einer Größe von mehr als 0,5 μm pro m3 erlaubt.

Das neue Werk soll autark durch wassereingespritzte, drehzahlgeregelte Schraubenkompressoren aus der Lento-Baureihe von Alup versorgt werden (Bild 1). Die Druckluft-Versorgung wird ganz bewusst von allen bisherigen Produktionsbereichen abgekoppelt.

Wassereingespritzte Kompressoren erfordern keine ölfreie Aufbereitung der Druckluft

Für die Erzeugung der Druckluft sind wassereingespritzte Kompressoren vorgesehen. Ein Vorteil für den Anwender: Bei der Erzeugung durch solche Verdichter entfällt die bisher erforderliche ölfreie Aufbereitung durch Aktivkohle-Adsorber.

Ein weiteres Plus ergibt sich für die Instandhaltung: Die neue ölfreie Station soll fernüberwacht werden. Dazu werden alle relevanten Werte über eine Datenleitung an einen zentralen Computer weitergeleitet, so dass sich das Personal dort jederzeit über den aktuellen Zustand der Druckluft-Versorgung informieren kann.

Wassereingespritzte Schraubenkompressoren arbeiten fast verlustfrei

Die wassereingespritzten Lento-Schraubenkompressoren arbeiten dank der Kühleigenschaften von Wasser relativ nahe am Idealmodell der isothermischen Verdichtung, also fast verlustfrei. Der Hersteller liefert die Kompressoren drehzahlgeregelt (Liefermengen 0,87 bis 8,27 m³/min) und mit fester Drehzahl (2,53 bis 5,03 m³/min).

Die Drücke bei den drehzahlgeregelten Anlagen sind stufenlos zwischen 5 und 10 bar einstellbar. Die Verdichterstufen erreichen eine vergleichbare Lebensdauer wie öleingespritzte Modelle. Die Gehäuse bestehen aus einer korrosionsfesten Bronzelegierung. Die Rotoren aus einem hochfesten Kunststoff-Compound werden für eine hohe Betriebssicherheit in fettgeschmierten Zylinderrollen- und Schrägkugellagern gelagert.

Mechanische Dichtelemente und zusätzliche atmosphärische Räume zwischen Verdichtungsraum und Lagern machen eine einwandfreie Abdichtung möglich. Die Kompressoren arbeiten mit einem geschlossenen Kühlwasserkreislauf und integrierter Aufbereitung. Druckluft und Wasser werden in einem Zyklon-Vorabscheider aus Edelstahl weitgehend getrennt (Bild 2).

Ein elektronischer Kondensatableiter regelt die Wassermenge. Überschüssiges Kondensat kann direkt in die Kanalisation eingeleitet werden. Die zu 100% gesättigte Druckluft wird im integrierten Kältetrockner zurückgekühlt. Deshalb kann in vielen Fällen auf einen zusätzlichen bauseitigen Trockner verzichtet werden. Im Druckluft-Trockner ausfallendes Kondensat wird als Frischwasser in den internen Wasserkreislauf zurückgeführt. Dadurch werden die Kosten für die externe Zufuhr von Frischwasser eingespart.

Eine Opferanode im Wasserkreislauf gibt im Prozess verbrauchte Mineralien an das Wasser zurück und verhindert, dass wasserführende Komponenten angegriffen werden. Ein Wasserfilter filtert Schwebstoffe aus. Zudem sorgt die permanente Erzeugung von Frischwasser für eine gute Wasserqualität.MM

Ulrich Kessler ist Geschäftsführer des Alup-Stützpunkthändlers Kessler-Druckluftanlagen in 75305 Neuenbürg

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