Verdrängerverdichter

Hubkolbenverdichter | Drehkolbenverdichter

Relevante Energieformen

Endenergieform	Nutzenergieform	Nebenenergieform(en)
Mechanische Energie	Druckluft	Thermische Energie (Wärme)

Kurzbeschreibung

Verdrängerverdichter ist der Oberbegriff für alle Verdichterarten, die nach dem Verdrängungsprinzip arbeiten:
Durch Ansaugen füllt sich der Verdichtungsraum mit Luft und schließt sich nach vollständigem Ansaugen. Im Anschluss wird das Volumen durch eine Krafteinwirkung verkleinert, wodurch die Luft verdichtet wird. Sobald der erwünschte Druck im Verdichterraum erreicht ist, kann die Luft direkt oder über Ventile in das weiterführende Rohrleitungsnetz geleitet werden.

Verdrängerverdichter liefern große Verdichtungsenddrücke bei kleinem Durchsatz.

Folgende Arten von Verdängerverdichtern gibt es auf dem Markt:

Hubkolbenverdichter: Tauchkolben- und Kreuzkopfverdichter, Membranverdichter, Freiflugkolbenverdichter
Drehkolbenverdichter: Schraubenverdichter, Vielzellenverdichter, Flüssigkeitsringverdichter, Rootsverdichter, Drehzahnverdichter, Scrollverdichter

Verdichter können aus Stahl oder Aluminium hergestellt werden.

In der folgenden Tabelle wird auf die Kennzahlen der am häufigsten genutzten Verdichtertarten in der Produktion eingegangen.

Funktionsskizze

Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte

Der Wirkungsgrad schwankt stark zwischen 0,2 und 0,85. Dieser hängt von der Art des Verdichters und vom Anwendungszweck der Druckluft ab. Die wichtigsten Kennzahlen sind der Verdichterenddruck in bar und der erzeugte Volumenstrom in m³/h. Folgende Parameter beeinflussen den Wirkungsgrad: Luftqualität, Temperatur der geforderten Luft, Möglichkeit der Wärmerückgewinnung, ölfreier oder ölgeschmierter Verdichter.

Bauarten

Bauart

Hubkolbenverdichter:
Tauchkolbenverdichter
Kreuzkopfverdichter

Drehkolbenverdichter:
Schraubenverdichter

Drehkolbenverdichter:
Vielzellenverdichter
(Drehschieberverdichter)

Drehkolbenverdichter:
Scrollverdichter

Betriebs-Charakteristika

Bauart	Hubkolbenverdichter	Drehkolbenverdichter	Drehkolbenverdichter	Drehkolbenverdichter
Typische Lastprofile	Volatil, dynamisch	Kontinuierlich, konstant	Kontinuierlich, konstant	Volatil, dynamisch
Maximale Schalthäufigkeiten	Fast unbegrenzt möglich ++	Fast unbegrenzt möglich ++	Fast unbegrenzt möglich ++	Fast unbegrenzt möglich ++
Typische Anfahrzeiten	Sehr kurz ++	Sehr kurz ++	Sehr kurz ++	Sehr kurz ++
Regelbarkeit	Sehr gute Regelbarkeit ++	Eingegrenzter Druck- und Volumenregelbereich durch Frequenzregelung +	Geringer Druck- und Regelbereich o	Drehzahlregelung möglich +
Weitere Betriebscharakteristika	Hoher Wartungsaufwand, da aus vielen Teilen bestehend (Kolben, Ventile, …) am häufigsten verwendeter Verdichter, daher Reparaturen bekannt und einfach hohe Endtemperaturen, Kühlung notwendig Laute Laufgeräusche durch unrunden Lauf, Lärmdämmung extra möglich (67–72 dB)	Geringer Wartungsaufwand, jedoch Überholung der Verdichterelemente normalerweise im Herstellerwerk, somit teurer niedrige Endtemperaturen durch Ölschmierung möglich, jedoch Luftaufbereitung danach notwendig und aufwändig sehr leise Laufgeräusche größerer Energieaufwand als Kolbenkompressoren	einfache Wartung (einfache Bauart) jedoch hohe Instandhaltungskosten durch Verschleiß der Schieber Sehr ruhiger Lauf, dadurch geräuscharm (57–64 dB) Bis zu 20% weniger Energieaufwand als Schraubenverdichter	Geringer Wartungsaufwand Sehr geräuscharmer und vibrationsarmer Betrieb (56–61 dB) Gute Luftqualität, da ölfreie Herstellung, jedoch Wasser- bzw. Luftkühlung notwendig

Energetische Kennwerte

Bauart	Hubkolbenverdichter	Drehkolbenverdichter	Drehkolbenverdichter	Drehkolbenverdichter
Verfügbare Leistungsklassen	10 bar (einstufig) 35 bar (zweistufig) theoretisch Druck über 1000 bar möglich, je mehr Stufen verwendet werden maximaler Volumenstrom: 120–600 m³/h Motornennleistung: Portabel: 1,5–3 kW Groß/Stand: 11–15 kW	Öleingespritz: 14 bar (einstufig), 24 bar (zweistufig) Ölfrei: 3–3,5 bar (einstufig), 8–12 bar (zweistufig) 40 bar (dreistufig) maximaler Volumenstrom: 3.000 m³/h Motornennleistung: klein: 2–22 kW groß: 30–500 kW	Maximaldruck: 16 bar maximaler Volumenstrom: 4.500 m³/h Motornennleistung: klein: 0,12–0,42 kW groß: 5,5–9,0 kW	Maximaldruck: 8–10 bar Maximaler Volumenstrom: ca. 150 m³/h Motornennleistung: 3–15 kW
Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Auslastung	max. 45–85 %, hängt von mehreren Faktoren ab, wie z. B., ob Abwärme bei der Druckluftherstellung weitergenutzt wird ++/o	Guter Wirkungsgrad bei Ölschmierung/-kühlung ++/+	Geringer Wirkungsgrad –	Guter Wirkungsgrad +
Nutzbarer Anteil der Verlustleistung	Wärmerückgewinnung, da bei Herstellung der Druckluft viel Wärme entsteht und diese sonst verloren geht (Wärmeverlust)
Weitere energetische Kennwerte	Welche Ausgangstemperatur darf die ausgestoßene Druckluft haben? Kühlung bereits während der Herstellung durch Ölschmierung oder extra Kühlung nach der Herstellung. Wird die Druckluft gleich verwendet oder muss sie gespeichert werden?

Wirtschaftliche Kennwerte

Bauart	Hubkolbenverdichter	Drehkolbenverdichter	Drehkolbenverdichter	Drehkolbenverdichter
Investkosten/kW	Kleine, einfache, portable Geräte ab 100€ In der Produktion eher ab 1.000€ bis 10.000€ Komplette Anlage ab 80.000-100.000€ ++	Kleine Geräte ab 4.000€ Bis 100.000€ als kompakte Anlage +	Wahrscheinlich einfache Geräte ab 1.000€, jedoch schwierig genaue Preise rauszufinden (Hersteller müssten angefragt werden) +	6.000€ bis 30.000€ o
Platzbedarf Länge x Breite x Höhe [m] Gewicht [kg]	Portables Gerät: 1 x 0,4 x 0,9 Gewicht: 50–150 kg Groß/Stand: 1,5 x 0,7 x 1,5 Gewicht: 520 kg Gering +	Klein: 0,7 x 0,6 x 1 bis 1,5 x 0,8 x 1,3 Gewicht: 130–520 kg Groß: 1,8 x 1 x 1,6 bis 3,6 x 2,1 x 2,2 Gewicht: 920–6.200 kg Sehr gering, Wärmerückgewinnung lässt sich gut integrieren, ebenfalls Lufttrockner und-filter, beste Komplettlösung ++	Klein: 0,25 x 0,15 x 0,15 Gewicht: 6,5–10,3 kg Groß: 1 x 0,4 x 0,3 Gewicht: 64–174 kg Sehr gering ++	Klein: 0,6 x 0,6 x 0,9 Gewicht: 170 kg Groß: 1,6 x 0,8 x 1,8 Gewicht: 720 kg Gering +
Wartungs- und Instandhaltungskosten	Einfache Teile und einfache Reparatur, gering ++	Reparatur meist nur bei Hersteller möglich, dadurch teuer und zeitintensiv –	Hohe Instandhaltungskosten, da Schieber oft ausgetauscht werden müssen –	Geringe Wartungskosten Reparatur kann teilweise selbst durchgeführt werden ++
Typische Lebensdauer / h	Keine genaue Angabe bei Hersteller, außer lange Lebensdauer +	Keine genaue Angabe bei Hersteller, außer lange Lebensdauer +	Keine genaue Angabe bei Hersteller, außer lange Lebensdauer +	Keine genaue Angabe bei Hersteller, außer lange Lebensdauer +
Weitere wirtschaftliche Kennwerte	Wärmerückgewinnung möglich, z. B. zum Heizen (Einsparung von Heizkosten)	Wärmerückgewinnung besonders einfach	Kondenzwasserabscheider integriert in Verdichter, kein extra Gerät notwendig	keine

Technologische Kennwerte

Bauart	Hubkolbenverdichter	Drehkolbenverdichter	Drehkolbenverdichter	Drehkolbenverdichter
Ökobilanz	Guter Wirkungsgrad möglich, ölfrei oder ölgeschmiert +/o	Sehr guter Wirkungsgrad möglich, jedoch Ölschmierung dazu benötigt o	Energieeffizienter als Schraubenkompressor Keine Infos zur Wärmerückgewinnung +/o	Gut, da kein Öl eingespritzt wird, Kühlung nur durch Wasser oder Luft +
Gefährdungspotenzial	Falls ölgeschmiert: Öl als Abfallprodukt, aufwändige Entsorgung			Keines vorhanden
Systemkomplexität	Mittel, da aus verschiedenen Bauteilen o	Hoch, nicht einfach zum selbst reparieren geeignet –	Mittel o	Mittel o
Weitere technologische Kennwerte	Druckluftqualität (welcher Anspruch wird gefordert: ölfrei, staubfrei)

Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse

Technologieattratktivität	Industrielle Umsetzbarkeit	Umsetzbarkeit	Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein)
		Komplexität	Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich)
		Anwendbarkeit bei Industriepartnern	Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein)
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Energetischer Impact	Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger))
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Verbreitung in Deutschland	Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig)
	Umrüstaufwand und Integration	Technology Readiness Level	Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3)
		Grad der Prozessentkopplung	Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess)
		Möglichkeit des Energieträgerwechsels	Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein)
		Umrüstaufwand	Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch)
Ressourcenstärke	Übertragbarkeit	Übertragbarkeit	Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch)
	Wirtschaftlichkeit	Erschließungskosten der Maßnahme	Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden)
		Spezifische Wandlerkosten	Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch)
		Abrufkosten der Maßnahme	Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher)	sehr stark fallabhängig

Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile

Vorteile

Gut geeignet für hohe Drücke und niedrigem Volumenstrom
Portable Kompressoren möglich, daher fast überall anwendbar (kleiner Platzanspruch)

Nachteile

Wärmeentstehung bei der Herstellung von Druckluft, Kühlung notwendig, wenn keine Ölschmierung/-kühlung möglich/vorhanden. Diese wiederum belastet die Ökobilanz mehr.

Anwendungsbeispiele

Aktivluft (Transport): Reinigung, Standstrahlen, Lackieren
Prozessluft: Trocknung, Kühlung
Arbeitsluft: Umwandlung in translatorische, mechanische Anwendungen, z.B. Schlagschrauber

Literaturverzeichnis

Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH (2009): Handbuch der Drucklufttechnik. 7. Auflage, Essen
BOGE KOMPRESSOREN: Onlinekompendium, 3. Drucklufterzeuger, aufgerufen am 26.07.2019
Energieagentur NRW: Druckluft – Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung (PDF-Download), aufgerufen am 19.11.2016
Mohrig, W. (1988): Druckluft-Praxis: Erzeugen – aufbereiten – verteilen – anwenden. Gräfelfing/München: Resch

Technologiematrix

Alphabetische Übersicht

Energetische Übersicht