Was ist Druckluftausrüstung? Welche Geräte gibt es?

Was ist Druckluftausrüstung? Welche Geräte gibt es?

Die Druckluftquelle ist das Gerät zur Erzeugung von Druckluft – der Luftkompressor. Es gibt viele verschiedene Arten von Luftkompressoren; gängige Typen sind Kolbenkompressoren, Zentrifugalkompressoren, Schraubenkompressoren, Schieberkompressoren, Scrollkompressoren usw.
Die vom Kompressor abgegebene Druckluft enthält zahlreiche Verunreinigungen wie Feuchtigkeit, Öl und Staub. Um Störungen des ordnungsgemäßen Betriebs des pneumatischen Systems zu vermeiden, müssen diese Verunreinigungen mithilfe von Reinigungsanlagen entfernt werden.

Luftreinigungsanlagen ist ein Oberbegriff für verschiedene Geräte und Vorrichtungen. In der Branche werden sie oft auch als Nachbearbeitungsanlagen bezeichnet und umfassen in der Regel Gasspeichertanks, Trockner, Filter usw.
● Lufttank
Die Funktion des Gasspeichers besteht darin, Druckpulsationen zu eliminieren, die Temperatur durch adiabatische Expansion und natürliche Kühlung zu senken, Feuchtigkeit und Öl aus der Druckluft abzutrennen und eine bestimmte Gasmenge zu speichern. Dadurch kann einerseits der Widerspruch ausgeglichen werden, dass der Luftverbrauch kurzfristig die Fördermenge des Kompressors übersteigt. Andererseits gewährleistet er die kurzfristige Druckluftversorgung bei Kompressorausfall oder Stromausfall und somit die Sicherheit pneumatischer Anlagen.

●Lufttrockner

Drucklufttrockner sind, wie der Name schon sagt, Geräte zur Wasserentfernung aus Druckluft. Gängige Typen sind Gefriertrockner und Adsorptionstrockner, außerdem werden Deliqueszenztrockner und Polymermembrantrockner eingesetzt. Kältetrockner sind die am häufigsten verwendeten Drucklufttrockner und kommen vor allem dort zum Einsatz, wo bestimmte Anforderungen an die Druckluftqualität gestellt werden. Sie nutzen die Eigenschaft der Druckluft, dass der Wasserdampfpartialdruck von der Temperatur abhängt, um die Druckluft zu kühlen, zu entwässern und zu trocknen. Kältetrockner werden in der Industrie üblicherweise einfach als „Kältetrockner“ bezeichnet. Ihre Hauptfunktion besteht darin, den Wassergehalt der Druckluft zu reduzieren, also deren Taupunktstemperatur zu senken. In industriellen Druckluftsystemen sind sie ein unverzichtbarer Bestandteil der Drucklufttrocknung und -reinigung (auch Nachbearbeitung genannt).

1 Grundprinzip

Druckluft kann durch Kompression, Kühlung, Adsorption und andere Verfahren von Wasserdampf befreit werden. Die Kühlung erfolgt beispielsweise durch Gefriertrocknung. Die vom Kompressor komprimierte Luft enthält neben Wasserdampf auch verschiedene Gase und ist daher feucht. Der Feuchtigkeitsgehalt feuchter Luft ist im Allgemeinen umgekehrt proportional zum Druck: Je höher der Druck, desto geringer der Feuchtigkeitsgehalt. Bei steigendem Luftdruck kondensiert der überschüssige Wasserdampf zu Wasser (das heißt, das Volumen der komprimierten Luft verringert sich und kann den ursprünglichen Wasserdampf nicht mehr aufnehmen).

Dies bedeutet, dass der Feuchtigkeitsgehalt im Vergleich zur ursprünglich eingeatmeten Luft abnimmt (hier bezieht sich dies auf die Rückkehr dieses Teils der komprimierten Luft in den unkomprimierten Zustand).

Die Abgase des Luftkompressors sind jedoch weiterhin komprimierte Luft, deren Wasserdampfgehalt den maximal möglichen Wert erreicht hat – sie befinden sich also im kritischen Aggregatzustand zwischen Gas und Flüssigkeit. Die komprimierte Luft ist in diesem Zustand gesättigt. Sobald sie leicht unter Druck gesetzt wird, kondensiert der Wasserdampf sofort und geht vom gasförmigen in den flüssigen Zustand über.

Stellt man sich die Luft wie einen nassen Schwamm vor, der Wasser aufgenommen hat, entspricht ihr Feuchtigkeitsgehalt dem aufgenommenen Wasser. Wird dem Schwamm mit Kraft Wasser entzogen, verringert sich sein Feuchtigkeitsgehalt. Lässt man ihn anschließend trocknen, ist er natürlicherweise trockener als im Ausgangszustand. Dies entspricht dem Zweck, Wasser durch Druckbeaufschlagung zu entfernen und zu trocknen.
Wenn beim Auspressen des Schwamms ab einem bestimmten Druck keine weitere Kraft mehr aufgewendet werden kann, kommt kein Wasser mehr heraus – der Schwamm ist gesättigt. Erhöht man den Druck weiter, fließt weiterhin Wasser heraus.

Daher hat der Luftkompressorkörper selbst die Funktion, Wasser zu entfernen, und die angewandte Methode besteht in der Druckbeaufschlagung, aber dies ist nicht der Zweck des Luftkompressors, sondern eine „unangenehme“ Belastung.

Warum wird die Druckbeaufschlagung nicht zur Wasserentfernung aus Druckluft eingesetzt? Dies liegt hauptsächlich an den Kosten: Eine Druckerhöhung um 1 kg würde etwa 7 % des Energieverbrauchs ausmachen und wäre daher unwirtschaftlich.

Die Kühlungsentwässerung ist relativ wirtschaftlich, und der Kältetrockner nutzt dasselbe Prinzip wie die Entfeuchtung in Klimaanlagen. Da die Dichte von gesättigtem Wasserdampf begrenzt ist, kann man im Bereich des aerodynamischen Drucks (2 MPa) davon ausgehen, dass die Dichte des Wasserdampfs in gesättigter Luft nur von der Temperatur abhängt und nicht vom Luftdruck.

Je höher die Temperatur, desto größer die Dichte des Wasserdampfs in der gesättigten Luft und desto mehr Wasser ist vorhanden. Umgekehrt gilt: Je niedriger die Temperatur, desto weniger Wasser (das lässt sich aus dem Alltag nachvollziehen: Winter ist trocken und kalt, Sommer heiß und feucht).

Die Druckluft wird auf eine möglichst niedrige Temperatur abgekühlt, um die Dichte des darin enthaltenen Wasserdampfs zu verringern und Kondensation zu erzeugen. Die durch die Kondensation entstehenden kleinen Wassertröpfchen werden aufgefangen und abgeleitet, um so das Ziel der Feuchtigkeitsentfernung aus der Druckluft zu erreichen.

Da es sich um einen Kondensationsprozess handelt, darf die Temperatur nicht unter den Gefrierpunkt fallen, da sonst das Wasser nicht effektiv abgetaut wird. Die nominale Drucktaupunkttemperatur eines Gefriertrockners liegt üblicherweise zwischen 2 und 10 °C.

Beispielsweise wird der „Drucktaupunkt“ bei 10 °C von 0,7 MPa in den „atmosphärischen Drucktaupunkt“ von -16 °C umgerechnet. Daraus lässt sich schließen, dass bei Verwendung in einer Umgebung mit einer Temperatur von mindestens -16 °C kein flüssiges Wasser in der Druckluft vorhanden ist, wenn diese in die Atmosphäre abgegeben wird.

Alle Verfahren zur Wasserentfernung aus Druckluft erreichen lediglich einen gewissen Trocknungsgrad. Eine vollständige Feuchtigkeitsentfernung ist unmöglich, und ein über die Anwendungsanforderungen hinausgehender Trocknungsgrad ist unwirtschaftlich.
2. Funktionsprinzip

Der Druckluft-Kältetrockner kühlt die Druckluft, um den Wasserdampf in der Druckluft zu flüssigen Tröpfchen zu kondensieren und so den Feuchtigkeitsgehalt der Druckluft zu reduzieren.
Die kondensierten Tröpfchen werden über das automatische Entwässerungssystem aus der Maschine abgeleitet. Solange die Umgebungstemperatur der nachgeschalteten Rohrleitung am Trocknerausgang nicht unter der Taupunkttemperatur am Verdampferausgang liegt, tritt keine Nachkondensation auf.

3 Arbeitsablauf

Druckluftverfahren:
Die Druckluft gelangt in den Luftwärmetauscher (Vorwärmer) [1], der die Temperatur der Hochtemperatur-Druckluft zunächst reduziert, und tritt dann in den Freon/Luft-Wärmetauscher (Verdampfer) [2] ein, wo die Druckluft extrem schnell abgekühlt wird, die Temperatur stark auf die Taupunkttemperatur gesenkt wird und das abgetrennte flüssige Wasser und die Druckluft im Wasserabscheider [3] getrennt werden. Das abgetrennte Wasser wird durch die automatische Entwässerungseinrichtung aus der Maschine abgeleitet.

Im Verdampfer [2] findet ein Wärmeaustausch zwischen der Druckluft und dem Kältemittel mit niedriger Temperatur statt. Die Temperatur der Druckluft ist dabei sehr niedrig und liegt in etwa im Bereich des Taupunkts von 2–10 °C. Sofern keine besonderen Anforderungen bestehen (d. h. keine Anforderungen an die Drucklufttemperatur), strömt die Druckluft üblicherweise zurück zum Luftwärmetauscher (Vorwärmer) [1], um dort Wärme mit der heißen Druckluft auszutauschen, die gerade in den Kaltlufttrockner eingetreten ist. Der Zweck dieses Vorgangs ist folgender:

① Die „Abwärme“ der getrockneten Druckluft wird effektiv genutzt, um die gerade in den Kaltlufttrockner eingetretene, heiße Druckluft vorzukühlen und so die Kälteleistung des Kaltlufttrockners zu reduzieren.

② Sekundäre Probleme wie Kondensation, Tropfenbildung und Rostbildung an der Außenseite der hinteren Rohrleitung durch die getrocknete, kalte Druckluft vermeiden.

Kühlprozess:

Das Kältemittel Freon tritt in den Kompressor ein [4]. Nach der Kompression steigt der Druck (und damit auch die Temperatur). Sobald der Druck im Kompressor den Druck im Kondensator leicht übersteigt, wird der unter hohem Druck stehende Kältemitteldampf in den Kondensator geleitet [6]. Im Kondensator tauscht der Kältemitteldampf bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme mit kühlerer Luft (Luftkühlung) oder Kühlwasser (Wasserkühlung) aus, wodurch das Kältemittel Freon kondensiert und verflüssigt wird.

In diesem Moment tritt das flüssige Kältemittel durch das Kapillarrohr/Expansionsventil [8] in den Freon/Luft-Wärmetauscher (Verdampfer) [2] ein, um sich zu entspannen (abzukühlen) und die Wärme der komprimierten Luft im Verdampfer aufzunehmen, bevor es verdampft wird. Das zu kühlende Objekt – die komprimierte Luft – wird abgekühlt, und der verdampfte Kältemitteldampf wird vom Kompressor abgesaugt, um den nächsten Zyklus zu starten.

Das Kältemittel durchläuft im System einen Kreislauf mit vier Prozessen: Kompression, Kondensation, Expansion (Drosselung) und Verdampfung. Durch kontinuierliche Kältezyklen wird die Druckluft gekühlt.
4 Funktionen der einzelnen Komponenten
Luftwärmetauscher
Um die Bildung von Kondenswasser an der Außenwand der externen Rohrleitung zu verhindern, verlässt die gefriergetrocknete Luft den Verdampfer und tauscht im Luftwärmetauscher erneut Wärme mit heißer, feuchter Druckluft aus. Gleichzeitig wird die Temperatur der in den Verdampfer einströmenden Luft deutlich gesenkt.

Wärmetauscher
Das Kältemittel absorbiert Wärme und dehnt sich im Verdampfer aus, wobei es vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Die komprimierte Luft wird durch Wärmeaustausch gekühlt, sodass der Wasserdampf in der komprimierten Luft vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergeht.

Wasserabscheider
Das ausgefällte flüssige Wasser wird im Wasserabscheider von der Druckluft getrennt. Je höher der Abscheidegrad des Wasserabscheiders ist, desto geringer ist der Anteil an flüssigem Wasser, der wieder in die Druckluft verdampft, und desto niedriger ist der Drucktaupunkt der Druckluft.

Kompressor
Das gasförmige Kältemittel gelangt in den Kältekompressor und wird zu einem gasförmigen Kältemittel mit hoher Temperatur und hohem Druck verdichtet.

Bypassventil
Sinkt die Temperatur des ausgefällten flüssigen Wassers unter den Gefrierpunkt, bildet sich Kondenswasser, das zu Eisbildung führt. Das Bypassventil regelt die Kühltemperatur und hält den Drucktaupunkt auf einem stabilen Wert (zwischen 1 und 6 °C).

Kondensator

Der Kondensator senkt die Temperatur des Kältemittels, und das Kältemittel wechselt vom gasförmigen Zustand bei hoher Temperatur in den flüssigen Zustand bei niedriger Temperatur.

Filter
Der Filter entfernt effektiv die Verunreinigungen aus dem Kältemittel.

Kapillar-/Expansionsventil
Nachdem das Kältemittel das Kapillarrohr/Expansionsventil durchlaufen hat, dehnt sich sein Volumen aus, seine Temperatur sinkt und es wird zu einer Flüssigkeit mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck.

Gas-Flüssigkeits-Abscheider
Da flüssiges Kältemittel, das in den Kompressor eintritt, einen Flüssigkeitsschock verursachen kann, der den Kältekompressor beschädigen kann, sorgt der Kältemittel-Gas-Flüssigkeits-Abscheider dafür, dass nur gasförmiges Kältemittel in den Kältekompressor gelangen kann.

automatischer Abfluss
Der automatische Ablauf leitet das sich am Boden des Separators angesammelte flüssige Wasser in regelmäßigen Abständen aus der Maschine ab.

Trockner

Der Kältetrockner zeichnet sich durch seine kompakte Bauweise, einfache Bedienung und Wartung sowie geringe Wartungskosten aus. Er eignet sich für Anwendungen, bei denen die Taupunkttemperatur der Druckluft nicht zu niedrig ist (über 0 °C).
Der Adsorptionstrockner nutzt ein Trockenmittel, um die durchströmende Druckluft zu entfeuchten und zu trocknen. Regenerative Adsorptionstrockner sind häufig im täglichen Einsatz.
● Filter
Filter werden in Hauptleitungsfilter, Gas-Wasser-Abscheider, Aktivkohle-Geruchsfilter, Dampfsterilisationsfilter usw. unterteilt und dienen der Entfernung von Öl, Staub, Feuchtigkeit und anderen Verunreinigungen aus der Luft, um saubere Druckluft zu gewinnen.