Verdichter

Ein kleiner stationärer Hochdruck-Atemluftkompressor zum Füllen von Tauchflaschen ⓘ

Hochdruck-Kolbenkompressor von Belliss und Morcom, der in der Flaschenabfüllindustrie eingesetzt wird ⓘ

Ein Kompressor ist eine mechanische Vorrichtung, die den Druck eines Gases durch Verringerung seines Volumens erhöht. Ein Luftkompressor ist eine spezielle Art von Gaskompressor. ⓘ

Kompressoren ähneln Pumpen: Beide erhöhen den Druck auf eine Flüssigkeit und beide können die Flüssigkeit durch ein Rohr transportieren. Da Gase komprimierbar sind, verringert der Kompressor auch das Volumen eines Gases. Flüssigkeiten sind relativ inkompressibel; während einige von ihnen komprimiert werden können, besteht die Hauptaufgabe einer Pumpe darin, Flüssigkeiten unter Druck zu setzen und zu transportieren. ⓘ

Viele Kompressoren können gestuft werden, d. h. die Flüssigkeit wird in mehreren Schritten oder Stufen komprimiert, um den Förderdruck zu erhöhen. Oft ist die zweite Stufe kleiner als die erste, um das bereits komprimierte Gas aufzunehmen, ohne dessen Druck zu verringern. Mit jeder Stufe wird das Gas weiter komprimiert und sein Druck sowie die Temperatur erhöht (wenn keine Zwischenkühlung zwischen den Stufen erfolgt). ⓘ

Großverdichter einer Kokerei ⓘ

Elektrischer Kolbenkompressor mit Kessel zur Druckluftherstellung ⓘ

Typen

Die wichtigsten Typen von Gaskompressoren werden im Folgenden dargestellt und erörtert:

Verdrängungskompressor

Ein Verdrängungskompressor ist ein System, das die Luft durch die Verdrängung eines mechanischen Gestänges verdichtet, das das Volumen reduziert (da die Volumenverringerung durch einen Kolben in der Thermodynamik als positive Verdrängung des Kolbens betrachtet wird). ⓘ

Anders ausgedrückt: Ein Verdrängungskompressor arbeitet, indem er ein bestimmtes Gasvolumen an seinem Einlass ansaugt und dieses Gas dann durch den Auslass des Kompressors zum Austritt zwingt. Der Druckanstieg des Gases ist zumindest teilweise darauf zurückzuführen, dass der Kompressor das Gas mit einem Massendurchsatz pumpt, der bei dem niedrigeren Druck und der geringeren Dichte des Einlasses nicht durch den Auslass fließen kann. ⓘ

Hubkolbenkompressoren

Ein motorgetriebener Sechszylinder-Kolbenkompressor, der mit zwei, vier oder sechs Zylindern arbeiten kann. ⓘ

Hubkolbenkompressoren verwenden Kolben, die von einer Kurbelwelle angetrieben werden. Sie können stationär oder fahrbar sein, ein- oder mehrstufig arbeiten und von Elektro- oder Verbrennungsmotoren angetrieben werden. Kleine Kolbenkompressoren mit einer Leistung von 5 bis 30 PS werden häufig in der Automobilindustrie eingesetzt und sind in der Regel für den intermittierenden Betrieb vorgesehen. Größere Hubkolbenkompressoren mit weit über 1.000 PS (750 kW) sind in der Regel in großen Industrie- und Erdölanwendungen zu finden. Der Auslassdruck kann von Niederdruck bis zu sehr hohem Druck (>18000 psi oder 180 MPa) reichen. Für bestimmte Anwendungen, wie z. B. die Luftverdichtung, gelten mehrstufige doppeltwirkende Kompressoren als die effizientesten Kompressoren, die es gibt, und sie sind in der Regel größer und teurer als vergleichbare Rotationskompressoren. Ein weiterer Typ von Kolbenkompressoren, der in der Regel in Kfz-Klimaanlagen eingesetzt wird, ist der Taumelscheiben- oder Taumelplattenkompressor, bei dem die Kolben von einer auf einer Welle montierten Taumelscheibe bewegt werden (siehe Axialkolbenpumpe). ⓘ

Kompressoren für Haushalte, Heimwerkstätten und kleinere Baustellen sind in der Regel Hubkolbenkompressoren mit 1½ PS oder weniger und einem angeschlossenen Sammelbehälter. ⓘ

Ein Linearkompressor ist ein Hubkolbenkompressor, bei dem der Kolben der Rotor eines Linearmotors ist. ⓘ

Dieser Kompressortyp kann eine breite Palette von Gasen verdichten, darunter Kältemittel, Wasserstoff und Erdgas. Aus diesem Grund findet er in einer Vielzahl von Anwendungen in vielen verschiedenen Industriezweigen Verwendung und kann für eine breite Palette von Kapazitäten ausgelegt werden, indem die Größe, die Anzahl der Zylinder und die Zylinderentladung variiert werden. Er leidet jedoch unter höheren Verlusten aufgrund des Spaltvolumens und des Widerstands durch Auslass- und Ansaugventile, hat ein höheres Gewicht, ist aufgrund der großen Anzahl beweglicher Teile schwer zu warten und weist inhärente Vibrationen auf. ⓘ

Kolbenkompressor mit ionischer Flüssigkeit

Ein ionischer Flüssigkeitskolbenkompressor, ionischer Kompressor oder eine ionische Flüssigkeitskolbenpumpe ist ein Wasserstoffkompressor, der auf einem ionischen Flüssigkeitskolben anstelle eines Metallkolbens wie bei einem Kolben-Metallmembrankompressor basiert. ⓘ

Schraubenkompressoren

Schema eines Rotationsschraubenkompressors ⓘ

Rotationsschraubenkompressoren verwenden zwei ineinandergreifende, rotierende Verdrängungsschrauben, um das Gas in einen kleineren Raum zu pressen. Sie werden in der Regel für den Dauerbetrieb in gewerblichen und industriellen Anwendungen eingesetzt und können entweder stationär oder fahrbar sein. Ihr Einsatzbereich reicht von 2,2 kW (3 PS) bis über 890 kW (1.200 PS) und von niedrigem bis mittlerem Druck (>8,3 MPa). ⓘ

Schraubenkompressoren werden u. a. nach Stufen, Kühlmethoden und Antriebsarten unterschieden. Im Handel werden Schraubenkompressoren in ölgefluteter, wassergefluteter und trockener Ausführung hergestellt. Der Wirkungsgrad von Schraubenkompressoren hängt vom Lufttrockner ab, und die Auswahl des Lufttrockners beträgt immer das 1,5-fache der volumetrischen Fördermenge des Kompressors. ⓘ

Es gibt Ausführungen mit einer einzigen Schraube oder mit drei Schrauben anstelle von zwei Schrauben. ⓘ

Schraubenkompressoren haben weniger bewegliche Teile, eine größere Kapazität, weniger Vibrationen und Druckstöße, können mit variablen Drehzahlen arbeiten und haben in der Regel einen höheren Wirkungsgrad. Kleine Baugrößen oder niedrige Rotordrehzahlen sind aufgrund von Leckagen, die durch das Spiel zwischen den Verdichtungsräumen oder Schrauben und dem Kompressorgehäuse entstehen, nicht praktikabel. Sie sind von feinen Bearbeitungstoleranzen abhängig, um hohe Leckageverluste zu vermeiden, und sind bei unsachgemäßem Betrieb oder schlechter Wartung anfällig für Schäden. ⓘ

Drehschieberkompressoren

Exzenter-Drehschieberpumpe ⓘ

Drehschieberkompressoren bestehen aus einem Rotor mit einer Reihe von Schaufeln, die in radiale Schlitze im Rotor eingesetzt sind. Der Rotor ist versetzt in einem größeren Gehäuse montiert, das entweder kreisförmig ist oder eine komplexere Form aufweist. Wenn sich der Rotor dreht, gleiten die Schaufeln in die Schlitze hinein und wieder heraus, wobei sie in Kontakt mit der Außenwand des Gehäuses bleiben. Auf diese Weise wird durch die rotierenden Schaufeln eine Reihe von zunehmenden und abnehmenden Volumina erzeugt. Drehschieberkompressoren gehören zusammen mit den Kolbenkompressoren zu den ältesten Kompressortechnologien. ⓘ

Mit geeigneten Anschlüssen können die Geräte sowohl als Kompressor als auch als Vakuumpumpe eingesetzt werden. Sie können stationär oder fahrbar sein, ein- oder mehrstufig arbeiten und durch Elektro- oder Verbrennungsmotoren angetrieben werden. Trockenverdichter werden bei relativ niedrigen Drücken (z. B. 2 bar oder 200 kPa oder 29 psi) für die Förderung von Schüttgütern eingesetzt, während öleingespritzte Maschinen den erforderlichen volumetrischen Wirkungsgrad haben, um Drücke bis zu etwa 13 bar (1.300 kPa; 190 psi) in einer einzigen Stufe zu erreichen. Ein Drehschieberkompressor eignet sich gut für den Antrieb durch einen Elektromotor und ist im Betrieb deutlich leiser als ein entsprechender Kolbenkompressor. ⓘ

Drehschieberkompressoren können einen mechanischen Wirkungsgrad von etwa 90 % erreichen. ⓘ

Rollkolben

Rollkolbenkompressor ⓘ

Der Rollkolben in einem Rollkolbenkompressor spielt die Rolle einer Trennwand zwischen dem Flügel und dem Rotor. Der Rollkolben drückt das Gas gegen ein feststehendes Flügelrad. ⓘ

Es können 2 dieser Kompressoren auf derselben Welle montiert werden, um die Kapazität zu erhöhen und Vibrationen und Lärm zu reduzieren. Eine Konstruktion ohne Feder wird als Schwingkompressor bezeichnet. ⓘ

In der Kälte- und Klimatechnik wird diese Art von Kompressor auch als Rotationskompressor bezeichnet, wobei Schraubenverdichter auch einfach als Schraubenkompressoren bezeichnet werden. ⓘ

Er bietet einen höheren Wirkungsgrad als Hubkolbenkompressoren, da er weniger Verluste durch das Zwischenraumvolumen zwischen dem Kolben und dem Kompressorgehäuse aufweist, 40 bis 50 % kleiner und leichter ist (was sich auf die Material- und Transportkosten auswirken kann, wenn er in einem Produkt verwendet wird), weniger Vibrationen verursacht, weniger Bauteile hat und zuverlässiger ist als ein Hubkolbenkompressor. Seine Struktur erlaubt jedoch keine Kapazitäten von mehr als 5 Kältetonnen, er ist weniger zuverlässig als andere Verdichtertypen und aufgrund der Verluste durch das Zwischenraumvolumen weniger effizient als andere Verdichtertypen. ⓘ

Scroll-Verdichter

Mechanismus einer Scrollpumpe ⓘ

Ein Scroll-Verdichter, auch Scroll-Pumpe oder Scroll-Vakuumpumpe genannt, verwendet zwei ineinander verschachtelte spiralförmige Schaufeln, um Flüssigkeiten und Gase zu pumpen oder zu verdichten. Die Schaufelgeometrie kann evolventenförmig, archimedisch spiralförmig oder als Hybridkurve ausgeführt sein. Sie arbeiten gleichmäßiger, leiser und zuverlässiger als andere Verdichtertypen im unteren Volumenbereich. ⓘ

Häufig ist eine der Spiralen feststehend, während die andere exzentrisch umläuft, ohne sich zu drehen, wodurch Flüssigkeitstaschen zwischen den Spiralen eingeschlossen und gepumpt oder verdichtet werden. ⓘ

Aufgrund des minimalen Spaltvolumens zwischen der festen Spirale und der umlaufenden Spirale haben diese Kompressoren einen sehr hohen volumetrischen Wirkungsgrad. ⓘ

Diese Verdichter werden häufig in der Klima- und Kältetechnik eingesetzt, da sie leichter, kleiner und mit weniger beweglichen Teilen ausgestattet sind als Hubkolbenverdichter und außerdem zuverlässiger arbeiten. Sie sind jedoch teurer, so dass Peltier-Kühler oder Rotations- und Hubkolbenkompressoren in Anwendungen eingesetzt werden können, bei denen die Kosten der wichtigste oder einer der wichtigsten Faktoren bei der Konstruktion eines Kälte- oder Klimasystems sind. ⓘ

Diese Art von Kompressor wurde in den frühen 1990er Jahren als Kompressor für die Volkswagen-Motoren G60 und G40 verwendet. ⓘ

Im Vergleich zu Hubkolben- und Rollkolbenkompressoren sind Scrollkompressoren zuverlässiger, da sie weniger Bauteile und eine einfachere Struktur haben, sie sind effizienter, da sie kein Totraumvolumen und keine Ventile haben, und sie haben den Vorteil, dass sie weniger schwingen und weniger vibrieren. Im Vergleich zu Schrauben- und Zentrifugalkompressoren haben Scrollkompressoren jedoch einen niedrigeren Wirkungsgrad und eine geringere Leistung. ⓘ

Membrankompressoren

Ein Membrankompressor (auch Membrankompressor genannt) ist eine Variante des herkömmlichen Hubkolbenkompressors. Die Verdichtung des Gases erfolgt durch die Bewegung einer flexiblen Membran anstelle eines Ansaugorgans. Die Hin- und Herbewegung der Membran wird durch eine Stange und einen Kurbelwellenmechanismus angetrieben. Nur die Membrane und das Kompressorgehäuse kommen mit dem zu verdichtenden Gas in Berührung. ⓘ

Der Grad der Biegung und das Material der Membrane beeinflussen die Lebensdauer des Geräts. Im Allgemeinen können steife Metallmembranen nur wenige Kubikzentimeter Volumen verdrängen, da das Metall keine großen Biegungen aushalten kann, ohne zu brechen, aber die Steifigkeit einer Metallmembran ermöglicht das Pumpen bei hohen Drücken. Gummi- oder Silikonmembranen können tiefe Pumphübe mit sehr starker Biegung aushalten, aber ihre geringe Festigkeit beschränkt ihre Verwendung auf Niederdruckanwendungen, und sie müssen ausgetauscht werden, wenn eine Kunststoffversprödung auftritt. ⓘ

Membrankompressoren werden für Wasserstoff und komprimiertes Erdgas (CNG) sowie in einer Reihe anderer Anwendungen eingesetzt. ⓘ

Ein dreistufiger Membrankompressor ⓘ

Das Foto rechts zeigt einen dreistufigen Membrankompressor, der zur Verdichtung von Wasserstoffgas auf 41 MPa (6.000 psi) für den Einsatz in einer Prototyp-Tankstelle für komprimierten Wasserstoff und komprimiertes Erdgas (CNG) verwendet wird, die von der Arizona Public Service Company (einem Stromversorgungsunternehmen) in der Innenstadt von Phoenix, Arizona, gebaut wurde. Für die Verdichtung des Erdgases wurden Hubkolbenkompressoren eingesetzt. Der Erdgas-Kolbenkompressor wurde von Sertco entwickelt. ⓘ

Der Prototyp der alternativen Tankstelle wurde unter Einhaltung aller in Phoenix geltenden Sicherheits-, Umwelt- und Bauvorschriften gebaut, um zu zeigen, dass derartige Tankstellen in städtischen Gebieten gebaut werden können. ⓘ

Dynamisch

Luftblasenkompressor

Auch bekannt als Trompe. Ein durch Turbulenzen erzeugtes Luft-Wasser-Gemisch wird in eine unterirdische Kammer fallen gelassen, wo sich die Luft vom Wasser trennt. Durch das Gewicht des fallenden Wassers wird die Luft im oberen Teil der Kammer komprimiert. Durch einen unterirdischen Auslass aus der Kammer kann das Wasser auf einer niedrigeren Höhe als der Einlass an die Oberfläche fließen. Ein Auslass im Dach der Kammer führt die komprimierte Luft an die Oberfläche. Eine Anlage nach diesem Prinzip wurde 1910 am Montreal River bei Ragged Shutes in der Nähe von Cobalt, Ontario, gebaut und lieferte 5.000 Pferdestärken an die nahe gelegenen Minen. ⓘ

Zentrifugalkompressoren

Ein einstufiger Zentrifugalkompressor ⓘ

Ein einstufiger Zentrifugalkompressor, Anfang 1900, G. Schiele & Co., Frankfurt am Main ⓘ

Zentrifugalkompressoren verwenden eine rotierende Scheibe oder ein Laufrad in einem geformten Gehäuse, um das Gas an den Rand des Laufrads zu drücken und so die Geschwindigkeit des Gases zu erhöhen. Ein Diffusorteil (divergenter Kanal) wandelt die Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie um. Sie werden in erster Linie für den kontinuierlichen, stationären Betrieb in Industrien wie Ölraffinerien, chemischen und petrochemischen Anlagen und Erdgasverarbeitungsanlagen eingesetzt. Ihr Einsatzbereich reicht von 100 Pferdestärken (75 kW) bis zu Tausenden von Pferdestärken. Mit einer Mehrfachabstufung können sie hohe Ausgangsdrücke von über 6,9 MPa (1.000 psi) erreichen. ⓘ

Dieser Kompressortyp wird zusammen mit den Schraubenkompressoren häufig in großen Kühl- und Klimaanlagen eingesetzt. Es gibt magnetgelagerte (magnetisch schwebende) und luftgelagerte Zentrifugalkompressoren. ⓘ

Viele große Beschneiungsanlagen (z. B. Skigebiete) verwenden diese Art von Kompressoren. Sie werden auch in Verbrennungsmotoren als Kompressoren und Turbolader eingesetzt. Zentrifugalkompressoren werden in kleinen Gasturbinenmotoren oder als letzte Verdichtungsstufe mittelgroßer Gasturbinen eingesetzt. ⓘ

Zentrifugalkompressoren sind die größten verfügbaren Kompressoren, bieten einen höheren Wirkungsgrad bei Teillasten, können bei Verwendung von Luft- oder Magnetlagern ölfrei sein, was den Wärmeübergangskoeffizienten in Verdampfern und Kondensatoren erhöht, wiegen bis zu 90 % weniger und benötigen 50 % weniger Platz als Kolbenkompressoren, sind zuverlässig und kostengünstiger in der Wartung, da weniger Komponenten dem Verschleiß ausgesetzt sind, und erzeugen nur minimale Vibrationen. Allerdings sind ihre Anschaffungskosten höher, sie erfordern eine hochpräzise CNC-Bearbeitung, das Laufrad muss sich mit hohen Drehzahlen drehen, was kleine Kompressoren unpraktisch macht, und das Auftreten von Druckstößen ist wahrscheinlicher. Das bedeutet, dass das Gas von der Auslass- zur Ansaugseite strömt, was zu schweren Schäden führen kann, insbesondere an den Lagern des Kompressors und seiner Antriebswelle. Es wird durch einen Druck auf der Druckseite verursacht, der höher ist als der Ausgangsdruck des Kompressors. Dies kann dazu führen, dass Gase zwischen dem Kompressor und dem an seine Druckleitung angeschlossenen Gerät hin und her strömen, was zu Schwingungen führt. ⓘ

Diagonal- oder Mischstromkompressoren

Diagonal- oder Mischstromkompressoren ähneln den Zentrifugalkompressoren, haben jedoch eine radiale und eine axiale Geschwindigkeitskomponente am Austritt aus dem Rotor. Der Diffusor wird häufig verwendet, um die diagonale Strömung in eine axiale statt in eine radiale Richtung zu lenken. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Radialverdichter (mit gleichem Stufendruckverhältnis) ist die Drehzahl eines Mischstromverdichters 1,5 mal höher. ⓘ

Axialverdichter

Eine Animation eines Axialkompressors. ⓘ

Axialkompressoren sind dynamisch rotierende Kompressoren, die eine Reihe von fächerartigen Schaufeln verwenden, um ein Fluid progressiv zu verdichten. Sie werden eingesetzt, wenn hohe Durchflussraten oder eine kompakte Bauweise erforderlich sind. ⓘ

Die Schaufelreihen sind in der Regel paarweise angeordnet: ein rotierendes und ein stationäres Schaufelblatt. Die rotierenden Schaufeln, die auch als Schaufeln oder Rotoren bezeichnet werden, beschleunigen das Fluid. Die stationären Schaufeln, die auch als Statoren oder Schaufeln bezeichnet werden, bremsen das Fluid ab und lenken es in eine andere Richtung, um es für die Rotorblätter der nächsten Stufe vorzubereiten. Axialkompressoren sind fast immer mehrstufig, wobei der Querschnitt des Gaskanals entlang des Kompressors abnimmt, um eine optimale axiale Machzahl zu erhalten. Ab etwa 5 Stufen oder einem Auslegungsdruckverhältnis von 4:1 funktioniert ein Kompressor nicht mehr, es sei denn, er ist mit Merkmalen wie stationären Schaufeln mit variablem Winkel (bekannt als variable Eintrittsleitschaufeln und variable Statoren), der Möglichkeit, einen Teil der Luft auf einem Teil des Kompressors entweichen zu lassen (bekannt als Zwischenablass) und der Aufteilung in mehr als eine rotierende Baugruppe (bekannt als Doppelspulen) ausgestattet. ⓘ

Axialkompressoren können einen hohen Wirkungsgrad haben, der bei ihren Auslegungsbedingungen bei etwa 90 % liegt. Sie sind jedoch relativ teuer, da sie eine große Anzahl von Komponenten, enge Toleranzen und hochwertige Materialien erfordern. Axialverdichter werden in mittleren bis großen Gasturbinen, Erdgaspumpstationen und einigen Chemieanlagen eingesetzt. ⓘ

Hermetisch geschlossen, offen oder halbhermetisch

Ein kleiner hermetisch abgedichteter Kompressor in einem gewöhnlichen Kühl- oder Gefrierschrank hat in der Regel einen runden, fest verschweißten Außenmantel aus Stahl, der die Betriebsgase im Inneren des Systems abdichtet, in diesem Fall das Kältemittel R600a. Es gibt keine Möglichkeit, dass Gase austreten, wie z. B. an den Dichtungen der Motorwelle. Bei diesem Modell ist der obere Teil aus Kunststoff Teil eines automatischen Abtausystems, das die Motorwärme zum Verdampfen des Wassers nutzt. ⓘ

Kompressoren, die in Kühlsystemen eingesetzt werden, müssen nahezu leckagefrei sein, um den Verlust des Kältemittels zu vermeiden, wenn sie jahrelang ohne Wartung funktionieren sollen. Dies erfordert den Einsatz sehr wirksamer Dichtungen oder sogar den Verzicht auf alle Dichtungen und Öffnungen, um ein hermetisches System zu bilden. Diese Verdichter werden oft als hermetisch, offen oder halbhermetisch bezeichnet, um zu beschreiben, wie der Verdichter eingeschlossen ist und wie der Motorantrieb im Verhältnis zum verdichteten Gas oder Dampf angeordnet ist. Einige Verdichter, die nicht in der Kältetechnik eingesetzt werden, können bis zu einem gewissen Grad auch hermetisch abgedichtet sein, typischerweise bei der Förderung giftiger, umweltschädlicher oder teurer Gase, wobei die meisten nicht kältetechnischen Anwendungen in der petrochemischen Industrie zu finden sind. ⓘ

Bei hermetischen und den meisten halbhermetischen Verdichtern sind der Verdichter und der Motor, der den Verdichter antreibt, integriert und arbeiten innerhalb der unter Druck stehenden Gashülle des Systems. Der Motor ist so konstruiert, dass er im verdichteten Kältemittelgas arbeitet und von diesem gekühlt wird. Offene Verdichter haben einen externen Motor, der eine Welle antreibt, die durch das Gehäuse des Verdichters verläuft, und sind auf Rotationsdichtungen um die Welle herum angewiesen, um den Innendruck aufrechtzuerhalten. ⓘ

Der Unterschied zwischen einem hermetischen und einem halbhermetischen Verdichter besteht darin, dass der hermetische Verdichter ein einteiliges, geschweißtes Stahlgehäuse hat, das für Reparaturen nicht geöffnet werden kann; wenn der hermetische Verdichter ausfällt, wird er einfach durch ein komplett neues Gerät ersetzt. Ein halbhermetisches Gerät besteht aus einem großen gegossenen Metallgehäuse mit abgedichteten Abdeckungen und Schrauben, die zum Austausch von Motor- und Verdichterkomponenten geöffnet werden können. Der Hauptvorteil eines hermetischen und halbhermetischen Verdichters besteht darin, dass das Gas nicht aus dem System entweichen kann. Die Hauptvorteile offener Verdichter bestehen darin, dass sie von jeder beliebigen Antriebsquelle angetrieben werden können, so dass der für die Anwendung am besten geeignete Motor oder sogar nichtelektrische Energiequellen wie ein Verbrennungsmotor oder eine Dampfturbine ausgewählt werden können, und dass zweitens der Motor eines offenen Verdichters gewartet werden kann, ohne dass ein Teil des Kältemittelsystems geöffnet werden muss. ⓘ

Ein offenes Drucksystem wie eine Autoklimaanlage kann anfälliger für Leckagen der Betriebsgase sein. Offene Systeme sind darauf angewiesen, dass das im System befindliche Schmiermittel auf die Pumpenkomponenten und Dichtungen spritzt. Wenn es nicht häufig genug betrieben wird, verdunstet das Schmiermittel auf den Dichtungen langsam, und dann beginnen die Dichtungen zu lecken, bis das System nicht mehr funktionsfähig ist und neu befüllt werden muss. Im Vergleich dazu kann ein hermetisches oder halbhermetisches System jahrelang unbenutzt bleiben und kann in der Regel jederzeit wieder in Betrieb genommen werden, ohne dass eine Wartung erforderlich ist oder ein Druckverlust im System auftritt. Selbst bei gut geschmierten Dichtungen tritt mit der Zeit eine geringe Menge Gas aus, vor allem wenn die Kältegase im Schmieröl löslich sind, aber wenn die Dichtungen gut hergestellt und gewartet werden, ist dieser Verlust sehr gering. ⓘ

Der Nachteil von hermetischen Verdichtern ist, dass der Motorantrieb nicht repariert oder gewartet werden kann und der gesamte Verdichter bei einem Motorausfall ausgetauscht werden muss. Ein weiterer Nachteil ist, dass durchgebrannte Wicklungen das gesamte System verunreinigen können, so dass das System vollständig abgepumpt und das Gas ersetzt werden muss (dies kann auch bei halbhermetischen Verdichtern geschehen, bei denen der Motor im Kältemittel arbeitet). Typischerweise werden hermetische Verdichter in preiswerten, werkseitig montierten Konsumgütern eingesetzt, bei denen die Reparatur- und Arbeitskosten im Vergleich zum Wert des Geräts hoch sind und es wirtschaftlicher wäre, einfach ein neues Gerät oder einen neuen Verdichter zu kaufen. Halbhermetische Verdichter werden in mittelgroßen bis großen Kälte- und Klimaanlagen eingesetzt, wo die Reparatur und/oder Überholung des Verdichters im Vergleich zum Preis eines neuen Verdichters günstiger ist. Ein hermetischer Verdichter ist einfacher und billiger zu bauen als ein halbhermetischer oder offener Verdichter. ⓘ

Volumenstrom und Enddruck ⓘ

Turboverdichter liefern große Volumenströme bei kleinen Verdichtungsenddrücken, Verdrängerverdichter liefern bei kleinem Durchsatz große Verdichtungsenddrücke. ⓘ

Ölfrei ⓘ

Kompressorbauarten können auch unterteilt werden in ölgeschmierte und ölfreie Kompressoren. ⓘ

Thermodynamik der Gasverdichtung

Isentroper Verdichter

Ein Kompressor kann als intern reversibel und adiabatisch idealisiert werden, d. h. als isentropes stationäres Gerät, bei dem die Entropieänderung gleich 0 ist. Durch die Definition des Kompressionszyklus als isentrop, kann ein idealer Wirkungsgrad für den Prozess erreicht werden, und die ideale Kompressorleistung kann mit der tatsächlichen Leistung der Maschine verglichen werden. Isotrope Verdichtung, wie sie im ASME PTC 10 Code verwendet wird, bezieht sich auf einen reversiblen, adiabatischen Verdichtungsprozess ⓘ

Isentroper Wirkungsgrad von Verdichtern:

$\eta _{C}={\frac {\rm {Isentropic\;Compressor\;Work}}{\rm {Actual\;Compressor\;Work}}}={\frac {W_{s}}{W_{a}}}\cong {\frac {h_{2s}-h_{1}}{h_{2a}-h_{1}}}$ ⓘ

$h_{1}$ ist die Enthalpie im Ausgangszustand

$h_{2a}$ ist die Enthalpie im Endzustand für den eigentlichen Prozess

$h_{2s}$ ist die Enthalpie im Endzustand für den isentropen Prozess ⓘ

Minimierung der von einem Kompressor benötigten Arbeit

Vergleich zwischen reversiblen und irreversiblen Verdichtern

Vergleich der Differentialform der Energiebilanz für jedes Gerät
Sei $q$ sei Wärme, $w$ sei Arbeit, $ke$ sei die kinetische Energie und $pe$ potenzielle Energie sein.
Tatsächlicher Kompressor:

$\delta q_{act}-\delta w_{act}=dh+dke+dpe$

Umkehrbarer Kompressor:

$\delta q_{rev}-\delta w_{rev}=dh+dke+dpe$

Die rechte Seite jedes Verdichtertyps ist also gleichwertig:

$\delta q_{act}-\delta w_{act}=\delta q_{rev}-\delta w_{rev}$

Umformung:

$\delta w_{rev}-\delta w_{act}=\delta q_{rev}-\delta q_{act}$

Durch Einsetzen der bekannten Gleichung $\delta q_{rev}=Tds$ in die letzte Gleichung einsetzen und beide Terme durch T dividieren:

${\frac {\delta w_{rev}-\delta w_{act}}{T}}=ds-{\frac {\delta q_{act}}{T}}\geq 0$

Außerdem, $ds\geq {\frac {\delta q_{act}}{T}}$ und T ist [absolute Temperatur] ($T\geq 0$), was ergibt:
$\delta w_{rev}\geq \delta w_{act}$
oder
$w_{rev}\geq w_{act}$ ⓘ

Daher benötigen Geräte, die Arbeit verbrauchen, wie Pumpen und Kompressoren (Arbeit ist negativ), weniger Arbeit, wenn sie reversibel arbeiten. ⓘ

Auswirkung der Kühlung während des Verdichtungsprozesses

P-v-Diagramm (spezifisches Volumen vs. Druck), das isentrope, polytrope und isotherme Prozesse zwischen denselben Druckgrenzen vergleicht. ⓘ

Isentroper Prozess: keine Abkühlung erforderlich,
polytroper Prozess: beinhaltet eine gewisse Abkühlung
Isothermer Prozess: mit maximaler Abkühlung ⓘ

Unter den folgenden Annahmen ist die Arbeit, die ein Kompressor zur Verdichtung eines Gases von $P_{1}$ auf $P_{2}$ ist die folgende für jeden Prozess:
Annahmen:

$P_{1}$ und $P_{2}$ ⓘ

Alle Prozesse sind innerlich reversibel

Das Gas verhält sich wie ein ideales Gas mit konstanter spezifischer Wärme ⓘ

Isentropisch ($Pv^{k}=constant$, wobei $k=C_{p}/C_{v}$):

$W_{comp,in}={\frac {kR(T_{2}-T_{1})}{k-1}}={\frac {kRT_{1}}{k-1}}\left[\left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)^{(k-1)/k}-1\right]$ ⓘ

Polytropisch ($Pv^{n}=constant$):

$W_{comp,in}={\frac {nR(T_{2}-T_{1})}{n-1}}={\frac {nRT_{1}}{n-1}}\left[\left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)^{(n-1)/n}-1\right]$ ⓘ

Isotherm ($T=constant$ oder $Pv=constant$):

$W_{comp,in}=RTln\left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)$ ⓘ

Vergleicht man die drei intern reversiblen Prozesse bei der Kompression eines idealen Gases von $P_{1}$ auf $P_{2}$zeigen die Ergebnisse, dass die isentrope Kompression ($Pv^{k}=constant$) erfordert die meiste Arbeit und die isothermische Kompression ($T=constant$ oder $Pv=constant$) erfordert den geringsten Arbeitsaufwand. Bei dem polytropen Prozess ($Pv^{n}=constant$) nimmt die eingebrachte Arbeit mit abnehmendem Exponenten n ab, da die Wärmeabfuhr während des Verdichtungsvorgangs zunimmt. Eine gängige Methode zur Kühlung des Gases während der Verdichtung ist die Verwendung von Kühlmänteln um das Gehäuse des Verdichters. ⓘ

Verdichter in idealen thermodynamischen Zyklen

Idealer Rankine-Kreislauf 1->2 Isentrope Verdichtung in einer Pumpe
Idealer Carnot-Zyklus 4->1 Isentrope Verdichtung
Idealer Otto-Zyklus 1->2 Isentrope Verdichtung
Idealer Diesel-Zyklus 1->2 Isentrope Kompression
Idealer Brayton-Zyklus 1->2 Isentrope Kompression in einem Kompressor
Idealer Dampfkompressions-Kältekreislauf 1->2 Isentrope Verdichtung in einem Verdichter
HINWEIS: Die isentropen Annahmen gelten nur für ideale Zyklen. In realen Kreisläufen treten aufgrund ineffizienter Verdichter und Turbinen inhärente Verluste auf. Die realen Systeme sind nicht wirklich isentrop, sondern werden für Berechnungszwecke als isentrop idealisiert. ⓘ

Temperatur

Die Verdichtung eines Gases erhöht seine Temperatur. ⓘ

Bei einer polytropen Umwandlung eines Gases:

${\begin{cases}pV^{n}={\text{constant}}=p_{1}V_{1}^{n}=p_{2}V_{2}^{n}\Rightarrow {\frac {p_{2}}{p_{1}}}\ =\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{n}&\\{\frac {p^{\frac {n-1}{n}}}{T}}={\text{constant}}={\frac {p_{1}^{\frac {n-1}{n}}}{T_{1}}}={\frac {p_{2}^{\frac {n-1}{n}}}{T_{2}}}\Rightarrow \left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {n-1}{n}}={\frac {T_{2}}{T_{1}}}&\end{cases}}$ ⓘ

Die Arbeit, die bei der polytropen Kompression (oder Expansion) eines Gases in einem geschlossenen Zylinder verrichtet wird.

$W=\int _{V_{1}}^{V_{2}}pdV=p_{1}V_{1}^{n}\int _{V_{1}}^{V_{2}}V^{-n}dV={\frac {p_{1}V_{1}^{n}}{1-n}}(V_{2}^{1-n}-V_{1}^{1-n})={\frac {p_{1}V_{1}^{n}}{1-n}}V_{1}^{1-n}\left({\frac {V_{2}^{1-n}}{V_{1}^{1-n}}}-1\right)={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left({\frac {V_{2}^{1-n}}{V_{1}^{1-n}}}-1\right)=$ ⓘ

$={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left(\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{n-1}-1\right)={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left(\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {n-1}{n}}-1\right)={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left({\frac {T_{2}}{T_{1}}}-1\right)$ ⓘ

also

$W=-{\frac {p_{1}V_{1}}{n-1}}\left(\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {n-1}{n}}-1\right)$ ⓘ

wobei p der Druck ist, V das Volumen, n für verschiedene Kompressionsprozesse unterschiedliche Werte annimmt (siehe unten) und 1 & 2 sich auf den Anfangs- und Endzustand beziehen. ⓘ

• Adiabatisch - Bei diesem Modell wird davon ausgegangen, dass während der Kompression keine Energie (Wärme) auf das Gas übertragen oder von ihm abgegeben wird, und die gesamte zugeführte Arbeit wird der inneren Energie des Gases hinzugefügt, was zu einem Anstieg von Temperatur und Druck führt. Der theoretische Temperaturanstieg ist:

$T_{2}=T_{1}\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{(\kappa -1)/\kappa }$

mit T₁ und T₂ in Grad Rankine oder Kelvin, p₂ und p₁ als absolute Drücke und $\kappa =$ Verhältnis der spezifischen Wärme (etwa 1,4 für Luft). Der Anstieg der Luft und des Temperaturverhältnisses bedeutet, dass die Verdichtung nicht einem einfachen Druck-Volumen-Verhältnis folgt. Dies ist weniger effizient, aber schnell. Die adiabatische Kompression oder Expansion entspricht eher der Realität, wenn ein Kompressor gut isoliert ist, ein großes Gasvolumen hat oder eine kurze Zeitskala (d. h. eine hohe Leistung) aufweist. In der Praxis wird immer ein gewisses Maß an Wärme aus dem komprimierten Gas fließen. Die Herstellung eines perfekten adiabatischen Kompressors würde also eine perfekte Wärmeisolierung aller Teile der Maschine erfordern. So wird beispielsweise selbst der Metallschlauch einer Fahrradpumpe heiß, wenn man die Luft zum Füllen eines Reifens komprimiert. Die oben beschriebene Beziehung zwischen Temperatur und Verdichtungsverhältnis bedeutet, dass der Wert von $n$ für einen adiabatischen Prozess ist $\kappa$ (das Verhältnis der spezifischen Wärmemengen). ⓘ

• Isotherm - Bei diesem Modell wird davon ausgegangen, dass das komprimierte Gas während des gesamten Kompressions- oder Expansionsprozesses eine konstante Temperatur aufweist. In diesem Zyklus wird dem System interne Energie in Form von Wärme in dem Maße entzogen, wie sie durch die mechanische Arbeit der Kompression zugeführt wird. Die isotherme Verdichtung oder Expansion entspricht eher der Realität, wenn der Kompressor eine große Wärmeaustauschfläche, ein kleines Gasvolumen oder eine lange Zeitskala (d. h. eine geringe Leistung) hat. Kompressoren, die eine Zwischenkühlung zwischen den Kompressionsstufen verwenden, kommen der perfekten isothermen Kompression am nächsten. Mit praktischen Geräten ist eine perfekte isotherme Verdichtung jedoch nicht zu erreichen. Wenn man zum Beispiel nicht unendlich viele Kompressionsstufen mit entsprechenden Zwischenkühlern hat, wird man nie eine perfekte isotherme Kompression erreichen. ⓘ

Für einen isothermen Prozess, $n$ gleich 1, so dass der Wert des Arbeitsintegrals für einen isothermen Prozess gleich ist:

$W=\int _{V_{1}}^{V_{2}}pdV=p_{1}V_{1}\int _{V_{1}}^{V_{2}}{\frac {1}{V}}dV=p_{1}V_{1}\ln {\frac {V_{2}}{V_{1}}}=-p_{1}V_{1}\ln \left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)$ ⓘ

Bei der Auswertung stellt sich heraus, dass die isotherme Arbeit niedriger ist als die adiabatische Arbeit. ⓘ

• Polytropisch - Dieses Modell berücksichtigt sowohl einen Temperaturanstieg im Gas als auch einen gewissen Energieverlust (Wärme) an die Komponenten des Verdichters. Dabei wird davon ausgegangen, dass Wärme in das System eindringen oder es verlassen kann und dass die Arbeit an der Antriebswelle sowohl als erhöhter Druck (in der Regel nützliche Arbeit) als auch als erhöhte Temperatur oberhalb der adiabatischen Temperatur (in der Regel Verluste aufgrund der Zykluseffizienz) auftreten kann. Der Verdichtungswirkungsgrad ist dann das Verhältnis zwischen dem Temperaturanstieg bei theoretischen 100 Prozent (adiabatisch) und dem tatsächlichen (polytropisch). Die polytrope Verdichtung verwendet einen Wert von $n$ zwischen 0 (ein Prozess mit konstantem Druck) und unendlich (ein Prozess mit konstantem Volumen). Für den typischen Fall, dass versucht wird, das komprimierte Gas durch einen annähernd adiabatischen Prozess abzukühlen, liegt der Wert von $n$ zwischen 1 und $\kappa$. ⓘ

Gestufte Verdichtung

Bei Zentrifugalkompressoren überschreiten handelsübliche Konstruktionen derzeit nicht ein Verdichtungsverhältnis von mehr als 3,5 zu 1 in einer Stufe (für ein typisches Gas). Da die Verdichtung die Temperatur erhöht, muss das verdichtete Gas zwischen den Stufen gekühlt werden, wodurch die Verdichtung weniger adiabatisch und mehr isotherm wird. Die Kühlung zwischen den Stufen (Zwischenkühler) führt in der Regel zu einer gewissen Teilkondensation, die in Dampf-Flüssigkeits-Abscheidern entfernt wird. ⓘ

Bei kleinen Hubkolbenverdichtern kann das Schwungrad des Verdichters ein Kühlgebläse antreiben, das die Umgebungsluft über den Zwischenkühler eines zwei- oder mehrstufigen Verdichters leitet. ⓘ

Da Schraubenkompressoren Kühlschmiermittel verwenden können, um den Temperaturanstieg bei der Verdichtung zu verringern, überschreiten sie sehr oft ein Verdichtungsverhältnis von 9 zu 1. In einem typischen Tauchkompressor wird die Luft beispielsweise in drei Stufen verdichtet. Wenn jede Stufe ein Verdichtungsverhältnis von 7 zu 1 hat, kann der Kompressor das 343-fache des Atmosphärendrucks (7 × 7 × 7 = 343 Atmosphären) erzeugen. (343 atm oder 34,8 MPa oder 5,04 ksi) ⓘ

Antriebsmotoren

Für den Motor, der den Verdichter antreibt, gibt es viele Möglichkeiten:

• Gasturbinen treiben die Axial- und Zentrifugalverdichter an, die Teil von Strahltriebwerken sind.
• Dampfturbinen oder Wasserturbinen sind für große Verdichter möglich.
• Elektromotoren sind billig und leise für statische Verdichter. Kleine Motoren, die für die Stromversorgung im Haushalt geeignet sind, arbeiten mit Einphasen-Wechselstrom. Größere Motoren können nur dort eingesetzt werden, wo ein industrielles Dreiphasen-Wechselstromnetz vorhanden ist.
• Diesel- oder Benzinmotoren eignen sich für fahrbare Kompressoren und Standkompressoren.
• In Autos und anderen Fahrzeugen (einschließlich kolbengetriebener Flugzeuge, Boote, Lastwagen usw.) kann die Leistung von Diesel- oder Benzinmotoren durch Verdichtung der Ansaugluft erhöht werden, so dass mehr Kraftstoff pro Zyklus verbrannt werden kann. Diese Motoren können Kompressoren mit ihrer eigenen Kurbelwellenkraft antreiben (diese Anordnung wird als Turbolader bezeichnet) oder ihre Abgase zum Antrieb einer mit dem Kompressor verbundenen Turbine verwenden (diese Anordnung wird als Turbolader bezeichnet). ⓘ

Schmierung

Verdichter, die von einem Elektromotor angetrieben werden, können mit einem VFD oder einem Wechselrichter gesteuert werden. Viele hermetische und halbhermetische Verdichter können jedoch nur in einem bestimmten Drehzahlbereich oder mit festen Drehzahlen arbeiten, da sie über eine eingebaute Ölpumpe verfügen können. Die eingebaute Ölpumpe ist mit der gleichen Welle verbunden, die den Verdichter antreibt, und drückt Öl in die Verdichter- und Motorlager. Bei niedrigen Drehzahlen gelangt nicht genügend Öl in die Lager, was schließlich zum Ausfall der Lager führt, während bei hohen Drehzahlen übermäßige Ölmengen aus den Lagern und dem Kompressor und möglicherweise durch Spritzer in die Druckleitung verloren gehen können. Schließlich läuft das Öl aus und die Lager bleiben ungeschmiert, was zu einem Ausfall führt, und das Öl kann das Kältemittel, die Luft oder andere Arbeitsgase verunreinigen. ⓘ

Anwendungen

Gaskompressoren werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, in denen entweder höhere Drücke oder geringere Gasmengen benötigt werden:

• Beim Pipelinetransport von gereinigtem Erdgas von der Produktionsstätte zum Verbraucher wird ein Kompressor von einem Motor angetrieben, der durch das aus der Pipeline entnommene Gas gespeist wird. Es ist also keine externe Energiequelle erforderlich.
• Im Seefrachtverkehr und im Frachtbetrieb von Gastransportunternehmen.
• Erdölraffinerien, Erdgasverarbeitungsanlagen, petrochemische und chemische Anlagen und ähnliche große Industrieanlagen benötigen Kompressoren für Zwischen- und Endproduktgase.
• Kälte- und Klimaanlagen verwenden Kompressoren, um Wärme in Kältemittelkreisläufen zu transportieren (siehe Dampfkompressionskälteanlagen).
• Gasturbinensysteme verdichten die angesaugte Verbrennungsluft.
• Gereinigte oder hergestellte Gase in kleinen Mengen müssen verdichtet werden, um Hochdruckflaschen für medizinische, schweißtechnische und andere Zwecke zu füllen.
• In verschiedenen Industrie-, Fertigungs- und Bauprozessen wird Druckluft für den Antrieb von Druckluftwerkzeugen benötigt.
• Bei der Herstellung und dem Blasformen von PET-Kunststoffflaschen und -behältern.
• Einige Flugzeuge benötigen Kompressoren, um den Kabinendruck in der Höhe aufrechtzuerhalten.
• Einige Arten von Düsentriebwerken - wie Turbojets und Turbofans - komprimieren die für die Treibstoffverbrennung erforderliche Luft. Die Turbinen des Strahltriebwerks treiben den Verbrennungsluftkompressor an.
• Beim Tauchen, bei umluftunabhängigen Atemgeräten, bei der hyperbaren Sauerstofftherapie und bei anderen lebenserhaltenden Geräten liefern Kompressoren entweder direkt oder über Hochdruckgasbehälter wie Tauchflaschen Atemgas unter Druck. Beim Tauchen an der Oberfläche wird ein Luftkompressor in der Regel zur Versorgung mit Niederdruckluft (10 bis 20 bar) für die Atmung verwendet.
• U-Boote verwenden Kompressoren, um Luft zu speichern, die später zur Verdrängung von Wasser aus den Auftriebskammern verwendet wird, um den Auftrieb zu regulieren.
• Turbolader und Supercharger sind Kompressoren, die die Leistung von Verbrennungsmotoren erhöhen, indem sie den Luftmassenstrom im Zylinder steigern, so dass der Motor mehr Kraftstoff verbrennen und somit mehr Leistung erzeugen kann.
• Im Schienen- und Schwerlastverkehr wird Druckluft zur Betätigung der Bremsen von Schienen- und Straßenfahrzeugen sowie verschiedener anderer Systeme (Türen, Scheibenwischer, Motor- und Getriebesteuerung usw.) verwendet.
• Tankstellen und Autowerkstätten verwenden Druckluft zum Befüllen von Luftreifen und zum Antrieb von Druckluftwerkzeugen.
• Feuerlöschkolben und Wärmepumpen dienen dazu, Luft oder andere Gase zu erhitzen, und die Verdichtung des Gases ist nur ein Mittel zum Zweck.
• Drehkolbenkompressoren werden häufig für die Luftversorgung in pneumatischen Förderleitungen für Pulver oder Feststoffe eingesetzt. Der erreichte Druck kann zwischen 0,5 und 2 bar g liegen. ⓘ

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  Tauchluftkompressor in Schallschutzkabine ⓘ

• Atemschutzkompressor
• Druckluftanlage
• Klimakompressor
• Luftpumpe
• Motoraufladung, als Hilfsmittel zur „Zwangsbefüllung“ des Motors mit zusätzlicher Luft, oder Gasgemischen, zur Leistungssteigerung ⓘ

Grundlagen

Verringert man das Volumen eines Gases durch Zusammendrücken, so spricht man von Verdichten oder Komprimieren. Entsprechende Geräte heißen Verdichter oder Kompressoren. Bei Verdichtungsvorgängen wird ein vorhandenes Ansaugvolumen V₁ mit dem Betriebsdruck p₁ zu einem kleineren Volumen V₂ zusammengepresst. In dem kleineren Volumen V₂ herrscht ein erhöhter Druck p₂, und das Gas erwärmt sich während des Verdichtungsprozesses. ⓘ

Da sich das Volumen während der Verdichtung verringert, ist es entscheidend, den jeweiligen Druckzustand zum Volumenstrom anzugeben. Übliche Angaben sind der Saugvolumenstrom (bezogen auf Saugdruck p₁), Austrittsvolumenstrom (bezogen auf den Enddruck p₂) sowie der Normvolumenstrom (bezogen auf den Normzustand p = 101,3 kPa, T = 293,15 K = 20 °C). ⓘ

Für Verdichtungsvorgänge gilt bei konstant bleibender Temperatur das Boyle-Mariottesche Gesetz. ⓘ

Bei der Anwendung dieses Gesetzes ist darauf zu achten, dass p₁ und p₂ absolute Drücke sind. Alle Druckangaben bei pneumatischen Anlagen beziehen sich jedoch auf den Überdruck Pe gegenüber dem atmosphärischen Druck. Andernfalls werden Druckangaben besonders gekennzeichnet. ⓘ

• Druckangaben in der Pneumatik beziehen sich auf Überdruck
• Druckmessgeräte in der Pneumatik sind auf Überdruck eingestellt ⓘ

Liefermenge und Betriebsdruck

Zur Kennzeichnung eines Verdichters dienen der erreichbare Druck und die Liefermenge. Die Liefermenge ist das je Zeitspanne abgegebene Gasvolumen; sie wird bei kleinen Anlagen in Liter/min, sonst in m³/min angegeben. Häufig gebräuchlich jedoch irreführend ist die Angabe der (theoretischen) Ansaugleistung als Produkt aus Drehzahl und Hubvolumen. Sie sagt nichts über die tatsächliche Fördermenge aus, da dabei der volumetrische Füllungsgrad vernachlässigt wird. ⓘ

Kenngrößen

• Liefermenge – Volumen des abgegebenen Fluids je Zeiteinheit.
• Betriebsdruck – erreichbarer Überdruck.
• Druckverhältnis $\Pi =p_{2}/p_{1}$ = Enddruck/Saugdruck
• Liefergrad – Bezeichnet das Verhältnis von gefördertem, zum theoretisch (aufgrund der Geometrie) möglichen Volumenstrom.

Um Verdichter verschiedener Bauart und Betriebspunkte besser vergleichen zu können, wird oft der Normvolumenstrom betrachtet. Dies ist der Volumenstrom des Verdichters, umgerechnet auf Normbedingungen (Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit). ⓘ

Bauformen

Fahrbarer Baustellenkompressor, ca. 1910, mit Verbrennungsmotorantrieb ⓘ

Roots-Gebläse für den Rennsporteinsatz ⓘ

Kolbenverdichter

Man unterscheidet Hubkolbenverdichter und Drehkolbenverdichter. ⓘ

Bei Hubkolbenverdichtern wird das Gas in einem Zylinder von einem hin- und hergehenden Kolben in den Arbeitsraum angesaugt, dort verdichtet und wieder ausgestoßen. Diese Verdichter arbeiten zyklisch, haben geringe Volumenströme und hohe Druckverhältnisse. Ansaug- und Auslassventil sind automatisch arbeitende Plattenventile. ⓘ

Von den Drehkolben- oder Rotationsverdichtern gibt es verschiedene Bauarten (Roots-Gebläse, Flügelzellenverdichter, Schraubenverdichter, Scrollverdichter). Ihnen ist gemeinsam, dass der Arbeitsraum zwischen dem Gehäuse und einem oder mehreren Verdrängern (Drehkolben) gebildet wird, die sich drehen oder auf eine Kreisbahn bewegen. Angesaugt und ausgestoßen wird das Gas durch Schlitze, die der Kolben bei seiner Bewegung freigibt und verschließt. ⓘ

Schraubenverdichter

Die beiden Rotoren eines Schraubenverdichters ⓘ

Modell eines Schraubenverdichters der Fa. Kaeser Kompressoren ⓘ

Der Schraubenverdichter gehört zu den rotierenden, zweiwelligen Verdrängerverdichtern mit innerer Verdichtung. Er ist einfach aufgebaut, hat kleine Abmessungen, eine geringe Masse, gleichmäßige, pulsationsfreie Förderung und einen ruhigen Lauf, weil ihm oszillierende Massen und Steuerorgane fehlen. Er erreicht bis zu 30 bar Überdruck. ⓘ

Geschichte

Die Idee zum Bau eines Schraubenverdichters entstand schon 1878, die Geometrie der Oberflächen konnte aber wegen technischer Schwierigkeiten nicht hergestellt werden. Etwa ein halbes Jahrhundert später, im Jahr 1930, hatte man dann die fertigungstechnischen Voraussetzungen dafür, um die komplizierte Schraubengeometrie herzustellen. Einem schwedischen Ingenieur namens Alfred Lysholm gelang es 1955, den ersten Schraubenkompressor der Welt herzustellen und erfolgreich einzusetzen. Anfänglich konnte sich der Kompressor jedoch gegenüber dem gängigen Kolbenkompressor nicht durchsetzen. Die internen Verluste an den Schrauben waren zu groß, um von einem effektiven Kompressor und vor allem von einer Alternative zum Kolbenkompressor zu sprechen. Noch einmal 40 Jahre mussten vergehen, bis dann endlich der entscheidende Punkt in der Verbesserung des Wirkungsgrades gefunden wurde. Eine Öleinspritzung in die Kompressorstufe senkt die Verlustrate erheblich und dient dem Kompressorblock gleichzeitig als Kühlung. Außerdem konnten dann Wälzlager verwendet werden, anstelle der bis dahin gängigen Gleitlager. Insgesamt führte diese Erkenntnis zu sehr einfach gebauten, aber dennoch robusten Verdichtern. Schraubenverdichter haben sich inzwischen bewährt – etwa die Hälfte aller derzeit eingesetzten Kompressoren sind Schraubenverdichter. ⓘ

Funktionsweise

Zwei parallel angeordnete, mechanisch (in der Regel durch ein Zahnradpaar) zwangsgekoppelte Rotoren mit ineinandergreifender, schraubenförmiger Verzahnung in einem Gehäuse sind das Herz dieser Anlage. An der Wälzlinie zwischen den beiden Wellen (der Stelle, an der sich die beiden schraubenförmigen Wellen berühren) ist der Durchgang für das zu fördernde Medium mechanisch (durch die Verzahnung) verschlossen. Das Medium befindet sich in den Zahngängen und wird von der Gehäusewandung darin gehalten. Es wird in Achsrichtung gefördert. An den beiden Stirnseiten der Achsen befinden sich im Gehäuse Öffnungen für Ein- (Saugseite) und Auslass (Druckseite). Die Länge der Rotoren, Steigung der Verzahnung und die Ein- und Auslassöffnungen müssen so angepasst sein, dass kein direkter Durchgang von der Druck- zur Saugseite besteht, also kein Rückfluss entstehen kann. Der geförderte Volumenstrom des Mediums ist, von den Verlusten abgesehen, proportional zur Drehzahl. ⓘ

Das Medium (zum Beispiel Luft) strömt auf der Saugseite in die Zahngänge ein, bis sich der Gang beim Weiterdrehen saugseitig am Abwälzpunkt verschließt. Er bildet nun um den Rotor einen wendelförmigen Luftschlauch. Bei weiterer Drehung öffnet sich die Verzahnung zur Druckseite, und die Luft wird durch das Weiterdrehen aus der Maschine gefördert. ⓘ

Um eine weitgehend impulslose Verdichtung mit hohem Wirkungsgrad zu erreichen, muss die Luft bereits im Verdichter komprimiert werden, damit der Druck am Ende der Verdichtung dem Druck auf der Druckseite möglichst gleich ist. Dazu wird das Gas nicht sofort zur Druckseite freigegeben. Dem sich öffnenden Zahngang wird eine Wand entgegengestellt. Beim Weiterdrehen der Welle verkleinert sich das Volumen des Luftschlauchs, da er quasi gegen die Wand gedrückt wird, er wird verdichtet. Nun kann je nach verlangtem Druck dieser zusammengedrückte Luftschlauch früher oder später freigegeben werden. Der Kompressionsgrad wird also durch Größe und Anordnung der Auslassöffnung bestimmt. ⓘ

Eine weitere Möglichkeit zum internen Verdichten der Luft ist die Veränderung der Steigung der Verzahnung, die in diesem Fall zur Druckseite hin abnimmt. Wenn der Luftschlauch zur Druckseite wandert, wird sein Volumen mit abnehmender Steigung reduziert. ⓘ

Turboverdichter

Transsonischer Verdichter

Unter einem transsonischen Verdichter versteht man einen Turboverdichter axialer oder radialer Bauart, in dem die Strömungsgeschwindigkeit im Relativsystem (der Beobachter „sitzt auf der rotierenden Rotorschaufel“) mindestens lokal die Schallgeschwindigkeit übersteigt. Die vorderen Stufen moderner Verdichter in Flugtriebwerken und Gasturbinen sind meist transsonisch ausgelegt, da hier die Temperaturen noch gering sind und man bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit eine höhere Mach-Zahl erhält. Die Machzahl ist das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit zur Schallgeschwindigkeit, letztere ist eine Funktion der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung des Gases. ⓘ

Der Vorteil transsonischer Verdichter sind die hohen Leistungsdichten, was insbesondere bei Flugzeugtriebwerks-Verdichtern wichtig ist, da so das System sehr kompakt ist. Diese Verdichter sind durch komplexe Systeme von Verdichtungsstößen gekennzeichnet, die die Auslegung und den stabilen Betrieb des Verdichters erheblich erschweren. Nachteilig sind auch die hohen Verluste, die mit den Verdichtungsstößen einhergehen und welchen nur durch komplexe dreidimensionale Beschaufelungen und ausgefeilte Profile begegnet werden kann. Üblicherweise sind die ersten Stufen des Niederdruckverdichters bei Triebwerken transsonisch ausgelegt wegen des großen Durchmessers der Rotoren und der Drehzahlgleichheit aller auf der Welle befindlicher Aggregate. ⓘ

Weitere Verdichterformen

• Flüssigkeitsringpumpe
• Hubkolbenverdichter
• ionischer Verdichter
• Lamellenverdichter
• Rotationsverdichter
• Taumelscheibenverdichter (englisch Wobble-Plate)
• Labyrinth-Kolben-Verdichter
• Schraubenverdichter
• Roots-Gebläse
• Schiefscheibenverdichter (Swash-Plate)
• Scrollverdichter („VW G-Lader“)
• Junkers-Freikolbenverdichter, siehe auch Freikolbenmaschine
• Membranverdichter
• Seitenkanalverdichter ⓘ

Antriebsarten

Der Antrieb durch Elektromotoren ermöglicht eine variable Drehzahl in einem weiten Bereich und somit der Regelbarkeit der Liefermenge. Die Wartungskosten sind gering, die Betriebskosten sind jedoch vom Strompreis abhängig. ⓘ

Beim Antrieb durch einen Verbrennungsmotor ist die Regelbarkeit stark eingeschränkt, da Verbrennungsmotoren nur in einem gewissen Drehzahlbereich langlebig und effizient betrieben werden können. Inzwischen sind von Gasmotoren angetriebene Verdichter auch als Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen erhältlich. Durch den im Verhältnis zum Strompreis niedrigen Gaspreis sind die Betriebskosten gering. Wenn ein Gewerbebetrieb mit kontinuierlichem Bedarf an Druckluft die von Verbrennungsmotor und Verdichter erzeugte Abwärme zur Gebäudeheizung einsetzen kann, rechnen sich die höheren Investitionskosten durch die Einsparung bei den Heizkosten. ⓘ