PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2024

Leitartikel
Schwingungen und Druckstöße aber
auch Kavitation sind die Karies für
Pumpen und auch andere Anlagenelemente.
Die richtige Auswahl einer
Pumpe hinsichtlich Nachhaltigkeit
und Lebensdauer ist also eine Schlüsselaufgabe.
Ein Druckstoß durchläuft eine Anlage
mit Schallgeschwindigkeit (bei
Wasser 1480 m/s) und wirkt in Rohren
in alle Richtungen. Er hat eine große
Kraft und greift nicht selten Sensoren
an, dehnt Rohrleitungen oder deformiert
Flächen. Dies führt oft zu kleinen
Relativbewegungen zwischen
Bauteilen, die an der Struktur nagen
können. Auch alle anderen Pumpen,
einschließlich Kreiselpumpen, pulsieren,
dies kann durchaus unter manchen
Bedingungen heftig ausfallen,
wird aber meist toleriert. Wollen wir
die Haltbarkeit von Pumpen verbessern,
müssen wir Schwingungen und
Stöße optimal dämpfen und natürlich
Kavitation vermeiden. Solche Dämpfer
gibt es leider noch nicht, daher ist
dies eine ingenieurstechnische Herausforderung.
Bei Kompressoren hängt der
Wirkungsgrad stark von der Kühlung
während des gesamten Verdichtungsprozesses
ab. Wenn zusätzlich
Reibung durch Dichtungen vorhanden
ist, entsteht eine polytrope Verdichtung,
bei der das Gas über die
Kompressionserwärmung hinaus zusätzlich
erhitzt wird. Je heißer das
Gas, desto mehr Energie wird für die
Förderung benötigt. Auch die Erwärmung
des Gases beim Ansaugen in
den Arbeitsraum mit heißen Wänden
ist störend, da dadurch weniger
angesaugt wird. Im Vergleich zur isothermen
Kompression, bei der im Arbeitsraum,
am besten mit Flüssigkeit
gekühlt werden muss, benötigt die
polytrope Kompression mindestens
doppelt so viel Energie. Die Auswahl
der richtigen Kühlung oder eine perfekte
Abtrennung von Kühlmitteltröpfchen
aus dem internen Kühlmittel,
sind daher die wichtigsten
ingenieurstechnischen Herausforderungen
bei Kompressoren. Je nach
Gastyp können auch große Leckagen
auftreten. Je kleinmolekularer ein
Gas ist, desto mehr. Beispielsweise
ist der Wasserstoff heute viel diskutiert,
schmiert aber extrem schlecht
und wird bei der Entspannung am
Saughubbeginn wärmer, statt kälter.
Besonders hier empfiehlt sich
eine Flüssigkeitsdichtung, erfordert
aber natürlich eine Gasreinigung auf
der Druckseite. Angesichts des Energieverlusts
durch Wärme und Leckage
im Bereich von Faktor zwei dürfte
sich eine Gasreinigung auf der Druckseite
schnell amortisieren.
Hinzu kommt, dass der Energiebedarf
für einen Zieldruck steigt, je
niedriger der reale Saugdruck ist. Der
Druckverlust sollte auf der Saugseite
daher extrem minimiert werden. Dasselbe
gilt für die Reibung der Dichtungen.
Die Fläche unter den Kurven
und Linien in Abb. 2 ist die notwendige
Kompresssionsenergie.
Abb. 2: Kompressionsarten bei Kompressoren: d1 isotherm; d2 polytrop, adiabat mit
effizienter Kühlung; d3 adiabat oder isentrop; d4 polytrop mit zusätzlichem Wärmeeintrag
z. B. von der Dichtungsreibung.
Bei Kompressoren hängt der Wirkungsgrad
von den folgenden Faktoren
ab:
1) Ohne wirksamen Kühleffekt entsteht
eine adiabate Verdichtung.
Falls dann noch eine relativ große
Dichtungsreibung am Kolben hinzukommt,
haben wir eine polytrope
Kompression. Im Vergleich zur
isothermen Verdichtung ist der
Energieverbrauch 150 % höher. Je
heißer das Gas am Ende der Förderung,
desto mehr Förderenergie.
2) Ebenfalls störend ist die Gaserwärmung
beim Ansaugen, durch die
Kompressionserwärmung entstehen
heiße Wände im Arbeitsraum.
Das angesaugte Gas wird beim
Einsaugen erwärmt und dehnt sich
aus. Dadurch wird deutlich weniger
angesaugt.
3) Jeder Kolbenkompressor klassischer
Bauart hat einen Schadraum.
Dies ist der beim oberen Totpunkt
verbleibende Raum, der beim Ansaughub
erst entspannt werden
muss, bevor das eigentliche Ansaugen
beginnen kann. Beim Fördern
von Wasserstoff wird dieser
beim Entspannen zusätzlich warm.
4) Das Ansaugen mit Druckverlust bewirkt,
dass der Ansaugdruck niedriger
ist als der statische Ansaugdruck.
Das ist in der Regel nicht
viel, aber es wirkt sich trotzdem
negativ aus, da die Kompression
beginnend bei niedrigerem Druck
die meiste Energie pro Druckstufe
verbraucht.
5) Auch auf der Druckseite entsteht
ein Druckverlust, dieser findet
aber im oberen Druckbereich statt
und ist daher der kleinste Verlust
in dieser Liste.
6) Leckage am Kolben: Je nach Gastyp
und dessen Schmiereigenschaften
erleidet die Dichtung merklichen
Verschleiß und damit auch merklichen
Leckstrom. Bei Wasserstoff
sind beide besonders hoch, da
dieser nicht schmiert. Daher ist
hier auch viel Forschungsarbeit im
Gange.
7) Bei Kompressorventilen ist bei
schlecht schmierenden Gasen (z. B.
Wasserstoff) zu erwarten, dass
beim Schließen der Ventile bis zur
finalen Endlage bereits im Kontakt
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