Die Komprimierung von Gas ist ein Prozess, bei dem externe Energie verbraucht wird, um dem Gas Druckenergie zu verleihen. Der Kompressor erzeugt das komprimierte Gas. Daher ist die grundlegende Leistungsfähigkeit der Verdichterstufe eines Schraubenkompressors untrennbar mit diesen vier Aspekten verbunden: Druck, Volumenstrom, Leistung und spezifische Leistung.
Grundlegende Leistung des Verdichterkopfes eines Schraubenkompressors – Druck
Die Nutzung der Druckenergie von Druckluft ist die grundlegendste Funktion eines Luftkompressors, und Schraubenkompressoren bilden hier keine Ausnahme. Die Verdichterstufe eines Schraubenkompressors erhöht den Luftdruck durch den Verbrauch externer Energie. Je höher der Druck, desto mehr Energie wird benötigt und desto höher sind die Anforderungen an die Verdichterstufe. Üblicherweise werden Luftkompressoren anhand ihres Ausgangsdrucks in vier Kategorien eingeteilt:
Niederdruck: 0,2–1,0 MPa; Mitteldruck: 1,0–10 MPa; Hochdruck: 10–100 MPa; Ultrahochdruck: über 100 MPa
Schraubenkompressoren arbeiten üblicherweise mit einem Ausgangsdruck von 0,2 bis 4,0 MPa. In diesem Bereich sind Leistung, Praktikabilität und Wirtschaftlichkeit optimal. Dies wird durch die Bauart und Arbeitsweise der Verdichterstufe bestimmt und stellt gleichzeitig das Drucksegment mit der größten Marktnachfrage dar.
Der vom Kompressor erzeugte Druckluftdruck wird hauptsächlich über das Druckverhältnis gemessen, also das Verhältnis des Ausgangsdrucks Pd zum Ansaugdruck Ps. Je höher das Verhältnis, desto höher der Ausgangsdruck. ε = Pd/Ps (Formel 6)
Für den Hauptmotor des Schraubenluftkompressors gibt es ein internes Druckverhältnis und ein externes Druckverhältnis.
Innendruckverhältnis: das Verhältnis des Drucks im Zwischenzahnraum der Hauptmaschine zum Saugdruck, das durch die Lage und Form der Saug- und Auslassöffnungen bestimmt wird;
Externes Druckverhältnis: das Verhältnis des Drucks im Abgasrohr zum Saugdruck. Die für die Betriebsbedingungen oder den Prozessablauf erforderlichen Saug- und Abgasdrücke.
Wenn das Verhältnis des Innendrucks ungleich dem Verhältnis des Außendrucks ist, verbraucht der Hauptmotor mehr Leistung; wenn das Verhältnis des Innendrucks gleich dem Verhältnis des Außendrucks ist, befindet sich der Hauptmotor im optimalen Zustand.
Beim Hauptmotor des Schraubenluftkompressors gilt: Wenn Hauptmotor, Umgebungstemperatur, Saugdruck, Hauptmotordrehzahl und andere Faktoren gleich sind, ist der Leistungsverbrauch umso höher, je höher der Ausgangsdruck ist.
Grundlegende Leistungsmerkmale der Verdichterstufe eines Schraubenkompressors – Durchfluss
Der Durchfluss setzt sich üblicherweise aus Massen- und Volumenstrom zusammen. In den Spezifikationen und Normen der Druckluftindustrie wird üblicherweise der Volumenstrom als Messmethode verwendet. Dieser wird in Deutschland auch als Abgasvolumenstrom oder Nennvolumenstrom bezeichnet: Unter dem erforderlichen Abgasdruck wird das vom Kompressor pro Zeiteinheit abgegebene Gasvolumen auf den Ansaugzustand umgerechnet. Dabei werden der Saugdruck am Ansaugrohr der ersten Stufe sowie die Ansaugtemperatur und -feuchtigkeit berücksichtigt. Die Einheit ist m³/min. Man unterscheidet zwischen tatsächlichem und Sollvolumenstrom.
Üblicherweise wird bei Mustern, Auswahlen und Maschinentypenschildern der Standardvolumenstrom verwendet. Aufgrund der Branche, der Region und der Anwendung gibt es im Druckluftmarkt zwei Definitionen des Standardvolumenstroms, die sich nach den Unterschieden im Standardzustand (Temperatur, Druck und Komponenten) richten:
Der Standardzustand ist ein Druck von P = 101,325 kPa, eine Standardtemperatur von T = 0 °C und eine relative Luftfeuchtigkeit von 0 %. Er wird häufig in der Industriegas- und Chemiebranche sowie in Ausschreibungsunterlagen unter der Bezeichnung „Standardquadrat“ und üblicherweise mit dem Symbol „VN“ und der Einheit Nm³/min angegeben.
Der Standardzustand ist ein Druck von P = 101,325 kPa, eine Standardtemperatur von T = 20 °C und eine relative Luftfeuchtigkeit von 0 %. Er wird üblicherweise in den Normen der Druckluftindustrie verwendet und als „Standardbetriebsbedingungen“ bezeichnet. Das Symbol ist in der Regel „V“, die Einheit m³/min.
Üblicherweise wird in unserer Druckluftindustrie der letztgenannte Standardvolumenstrom verwendet. Die Umrechnung des Volumenstroms zwischen den beiden Zuständen kann mit folgender Formel berechnet werden:
V(m3/min)=1,0732VN(Nm3/min) Formel (7)
Beim Hauptmotor des Schraubenluftkompressors gilt unter sonst gleichen Bedingungen: Je größer der Rotor-Mittenabstand, desto größer der Volumenstrom; je höher die Drehzahl des Hauptmotors, desto größer der Volumenstrom.
VVolumenstrom = qv Hauptmaschinen-Kompressionsvolumen × n Kopfdrehzahl Formel (8)
qv=CΨqv0Z1n=CΨCn1nλD3 Formel (9)
Dabei ist Z1 die Zähnezahl des männlichen Rotors; n die Drehzahl des männlichen Rotors; λ das Rotorseitenverhältnis; D der Außendurchmesser des männlichen Rotors.
Aus Kostengründen reduzieren wir daher üblicherweise die Anzahl der Hauptmotortypen und können die Abgasmenge des Luftkompressors durch Anpassung der Hauptmotordrehzahl an die Marktnachfrage regulieren.
Die Drehzahl des Schraubenkompressor-Hauptmotors kann jedoch nicht unbegrenzt hoch sein, sondern liegt üblicherweise zwischen 800 und 10.000 U/min. Daher entwickelt der Hersteller von Schraubenkompressor-Hauptmotoren Hauptmotoren mit unterschiedlichen Volumenstrombereichen, um den Förderstromanforderungen des Schraubenkompressors gerecht zu werden.
Je nach Druckluftvolumenstrom lassen sich Luftkompressoren üblicherweise in folgende Kategorien einteilen:
Mikrokompressor<1m3>10～<100 m3min; large compressor ≥100 min
Der Hauptschrauben-Luftkompressor eignet sich für Einzelmaschinen mit einer Fördermenge von 1～100 m³/min, ist der zuverlässigste und wirtschaftlichste und gleichzeitig das Hauptmodell auf dem Luftkompressormarkt.
Je höher der Druck, desto höher der Energieverbrauch des Hauptmotors; je größer der Volumenstrom, desto höher der Energieverbrauch des Hauptmotors.
Je kleiner die spezifische Leistung des Hauptmotors eines Schraubenkompressors ist, desto geringer ist sein Energieverbrauch und desto besser seine Leistung. Bei konstantem Volumenstrom gilt: Je höher der Ausgangsdruck, desto größer die Wellenleistung des Hauptmotors und somit auch seine spezifische Leistung.
Jeder Schraubenkompressor-Hauptmotor besitzt eine optimale spezifische Leistung, die von der Motordrehzahl abhängt. Bei zu niedriger Drehzahl steigen die Leckagen, das Gasvolumen sinkt und die spezifische Leistung steigt; bei zu hoher Drehzahl hingegen erhöhen sich Reibung, Wellenleistung und ebenfalls die spezifische Leistung. Es existiert jedoch eine optimale Drehzahl, bei der die spezifische Leistung minimal ist. Daher ist die Aussage, dass ein größerer Hauptmotor automatisch energieeffizienter ist, nicht unbedingt korrekt.
Bei der Konstruktion von Schraubenkompressoren und frequenzverstellbaren Kompressoren müssen wir neben der Qualitätssicherung auch Wirtschaftlichkeit, Standardisierung und Modularität des Hauptmotors berücksichtigen. Daher verwenden wir die spezifische Leistungskennlinie des Hauptmotors, um Schraubenkompressoren für unterschiedliche Drücke und Fördermengen zu konstruieren und zu entwickeln.
Veröffentlichungsdatum: 11. September 2024
