Druckluft- und Hydrauliksysteme: Kompressoren, Zylinder & Grundlagen

Herstellung von Druckluft: Grundlagen und Kompressortypen

Grundlagen der Drucklufterzeugung

Ein Kompressor ist ein Gerät zur Verdichtung der atmosphärischen Luft, bis der erforderliche Druck für die Anlage erreicht ist. Die Volumenreduzierung wird durch die Erhöhung der potenziellen Energie der Luft erreicht. Kompressoren werden durch den Druck und den Luftdurchsatz gekennzeichnet, die sie leisten können.

Strömungsarten in Kompressoren

Es gibt zwei Hauptströmungsarten:

• Pulsierender Fluss: Hierbei bewegt sich die Flüssigkeit intermittierend oder stoßweise.
• Kontinuierlicher Fluss: Dieser erzeugt gleichmäßige Strömungen ohne Druckschwankungen.

Kolbenkompressoren

Funktionsweise von Kolbenkompressoren

Bei Kolbenkompressoren wird der Luftdruck durch eine Verringerung des Kammervolumens erhöht, was einen pulsierenden Fluss erzeugt. Mit diesen Kompressoren lassen sich sehr hohe Drücke und vernünftige Volumenströme erzielen, was sie zu den am weitesten verbreiteten macht, allerdings sind sie sehr laut.

Betriebsablauf eines Kolbenkompressors

Die Funktionsweise ist wie folgt:

1. Der Kolben bewegt sich nach unten und saugt Luft an.
2. Unterer Totpunkt (UT): Die Kammer füllt sich mit atmosphärischem Druck.
3. Das Einlassventil schließt.
4. Der Kolben bewegt sich nach oben und verdichtet die Luft.
5. Oberer Totpunkt (OT): Das Auslassventil öffnet und die verdichtete Luft wird ausgestoßen.

Spezielle Kolbenkompressoren

Zweistufige Kompressoren

Zweistufige Kolbenkompressoren sind mit zwei Kolben ausgestattet. Die bereits vom ersten Kolben verdichtete Luft wird dann in den zweiten Kolben geleitet und dort weiter komprimiert. Zwischen den beiden Zylindern befindet sich ein Wärmetauscher, der die Lufttemperatur senkt. Mit dieser Art von Kompressoren werden deutlich höhere Drücke als mit einstufigen Kompressoren erreicht.

Membrankompressoren

Bei herkömmlichen Kolbenkompressoren ist die Unterseite des Kolbens oft in Öl getaucht. Dies kann dazu führen, dass kleine Ölpartikel vom Kolben in den Zylinder und somit in die Druckluft gelangen. Wenn die zu komprimierende Luft sehr sauber sein muss, ist es wichtig zu verhindern, dass die Luft mit dem Kolben und dessen potenziellen Verunreinigungen in Kontakt kommt. Hierfür wird eine Membran, meist aus Gummi, eingesetzt, die den Arbeitsraum vom Öl trennt.

Rotationskompressoren

Mehrzellen- oder Flügelzellenkompressor

Dies ist ein Drehkolbenverdichter, der einen kontinuierlichen Volumenstrom erzeugt. Er besteht aus einem Rotor mit Schlitzen, in denen Flügel (Paletten) gleiten. Diese Flügel stehen stets in Kontakt mit dem Kompressorgehäuse. Der Rotor dreht sich exzentrisch zum Gehäuse. Zwischen den Flügeln entsteht eine Kammer oder Zelle, die von den angrenzenden isoliert ist. Der erhöhte Luftdruck wird durch die Verringerung des Zellvolumens erreicht. Der Kompressor verfügt über eine Saugleitung, wo er Außenluft ansaugt. Der Druck steigt, bis die Luft über die Druckleitung ausgegeben wird.

Schraubenkompressor

Auch bekannt als Schraubenverdichter. Dieser Kompressor hat zwei ineinandergreifende Schraubenwellen, die sich gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen drehen. Die Luft bewegt sich zwischen den Achsen, da sie in den Schraubengängen eingeschlossen wird. Diese Kompressoren erzeugen einen kontinuierlichen Volumenstrom.

Roots-Kompressor

Dieser Kompressor ist dem Schraubenkompressor ähnlich und hat ebenfalls zwei Wellen, eine angetriebene und eine mitlaufende. Die Achsen sind längs angeordnet und erhöhen den Druck durch Verdrängung des Volumenstroms, wobei sie kontinuierlich arbeiten.

Radialkompressor

Er besteht aus einer Welle und Schaufeln, die sich mit ihr drehen. Dank der Form der Schaufeln und der hohen Drehzahl wird Luft angesaugt und anschließend durch die Zentrifugalkraft nach außen beschleunigt. Er liefert sehr hohe Volumenströme, aber relativ niedrige Drücke aufgrund der geringen Kompression. Die Druckerhöhung wird durch Fluiddynamik erreicht.

Axialkompressor

Er ähnelt einem herkömmlichen Ventilator. Dank der Geschwindigkeit und der gekrümmten Form der Schaufeln wird die Geschwindigkeit des Luftauslasses erhöht. Er erzeugt große Volumenströme bei relativ niedrigen Drücken und einen kontinuierlichen Fluss.

Druckluftaufbereitung und -speicherung

Druckluftbehälter (Speicher)

Druckluftbehälter sind Speicher, die am Ausgang des Kompressors installiert werden, um Druckluft zu speichern. Auf diese Weise kann der Kompressor intermittierend arbeiten und muss nicht ständig laufen. Zusätzlich zur Speicherung erfüllen Druckluftbehälter weitere Funktionen:

• Stabilisierung des Volumenstroms
• Kühlung der Luft
• Abscheidung von Wasserdampf und Partikeln

Wichtige Komponenten eines Druckluftbehälters

Ein Druckluftbehälter ist mit verschiedenen Komponenten ausgestattet:

• Überdruckventil: Bläst Luft in die Atmosphäre ab, wenn der Innendruck einen bestimmten Wert überschreitet.
• Manometer und Thermometer: Zur Anzeige von Druck und Temperatur.
• Absperrventile: Werden verwendet, um Leitungen zu isolieren.
• Mannloch/Revisionsöffnung: Eine Öffnung, die es ermöglicht, das Innere des Behälters bei Bedarf zu reinigen oder zu inspizieren.
• Kondensatabscheider (Trap): Manuell oder automatisch im unteren Teil des Behälters platziert, um kondensierten Wasserdampf und mitgerissene Verunreinigungen durch den Innendruck abzublasen.

Lufttrocknung und Filterung

Da Wasser in einem pneumatischen System unerwünscht ist und mechanische Komponenten beschädigen kann, muss es entfernt werden. Zusätzlich wird die Druckluft gefiltert, um Partikel zu entfernen. Es gibt drei Hauptverfahren zur Lufttrocknung:

Verfahren zur Lufttrocknung

• Adsorptionstrocknung: Dies ist ein physikalischer Prozess. Ein Trockenmittel, das wie ein Schwamm wirkt, nimmt den Wasserdampf aus der durchströmenden Luft auf. Das System verfügt über zwei Behälter, sodass während ein Behälter die Luft trocknet, der andere mit heißer Luft regeneriert wird. Ist ein Behälter gesättigt, ist der andere bereit, den Trocknungsprozess zu beginnen.
• Absorptionstrocknung: Dies ist ein chemischer Prozess. Der Luftstrom wird durch ein Trockenmittel geleitet, das mit dem Wasserdampf reagiert und Kondensation verursacht. Dieses Mittel wird verbraucht und kann nicht regeneriert werden, weshalb die Kartuschen gewechselt werden müssen.
• Kältetrocknung: Dieses System kühlt die Luft unter die niedrigste Temperatur ab, die in der Anlage auftreten könnte. Wenn die Luft abkühlt, sinkt die Menge an Wasserdampf, die gelöst bleiben kann, und bei Erreichen des Taupunkts kondensiert er.

Druckluftfilter

Filter werden normalerweise in der Leitung vor dem Anschluss an das pneumatische Gerät installiert. Sie bestehen aus einem oberen Teil und einem transparenten Glas, das leicht entfernt werden kann. Im oberen Teil ist ein geformtes Stück (oft ein Leitblech) installiert, das eine spiralförmige Luftbewegung erzeugt. Eine Sinterbronzekartusche fängt Verunreinigungen ab, die nicht auf den Boden des Glases gesunken sind. In regelmäßigen Abständen muss das Glas gereinigt werden, um den Luftstrom nicht zu behindern.

Luftschmierung

Die meisten pneumatischen Komponenten, die eine interne Bewegung ausführen, benötigen eine geringe Schmierung, um ihre Lebensdauer zu verlängern. Dies wird erreicht, indem ein feiner Ölnebel in die Druckluft eingebracht wird. Das Öl wird an der Stelle der Anlage hinzugefügt, die dem zu schmierenden Element am nächsten liegt. Das Öl muss sehr dünnflüssig sein, um leicht zerstäubt und verarbeitet werden zu können.

Funktionsweise eines Ölers

Ein Öler besteht aus einem Glasbehälter, der mit Öl gefüllt ist. Die Druckluftleitung führt durch den Öler und ist mit einer Verengung (Venturi-Düse) ausgestattet, um einen Druckabfall zu erzeugen. Da an der Öloberfläche ein höherer Druck herrscht als in der Verengung des Rohres, entsteht ein Sog, der das Öl durch ein Steigrohr nach oben in die Verengung zieht. Dort wird das Öl durch die hohe Geschwindigkeit der Luft zerstäubt und der Druckluft beigemischt.

Wartungseinheit für Druckluft

Eine Wartungseinheit besteht aus einer Reihe von pneumatischen Elementen, die für die Konditionierung der Luft verantwortlich sind, bevor diese einer Maschine oder Anlage zugeführt wird. Sie besteht aus:

1. Filter
2. Druckminderer: Stellt den benötigten Arbeitsdruck für die jeweilige Abnahmestelle bereit.
3. Manometer: Zeigt den Druck an.
4. Öler (Schmierer)

Druckarten in pneumatischen Systemen

• Netzwerkdruck: Dies ist der Druck, der im gesamten Druckluftnetz vorhanden ist und immer höher sein wird als jeder angeforderte Arbeitsdruck.
• Arbeitsdruck: Dies ist der Druck, der an jedem der verschiedenen Punkte der Anlage benötigt wird. Er ist immer kleiner als der Netzwerkdruck.

Pneumatische Zylinder und ihre Typen

Grundlegende Zylindertypen

• Einfachwirkende Zylinder: Sie führen nur einen Arbeitshub aus. Der Rückhub erfolgt durch eine Federkraft, die ausreicht, um den Kolben in seine Ausgangsposition zurückzubringen. Der maximale Hub dieser Zylinder beträgt in der Regel 80 mm.
• Doppeltwirkende Zylinder: Sie haben keine Feder. Sie verfügen über zwei Kammern mit jeweils einem Anschluss für die Druckluftleitung, eine für jeden Arbeitshub. Beide Hübe sind in der Regel gleich schnell.

Spezielle Zylindertypen

• Gedämpfte doppeltwirkende Zylinder: Ähnlich wie doppeltwirkende Zylinder, aber sie vermeiden einen harten Anschlag am Hubende. Die Dämpfung ist regulierbar und wird durch ein Luftkissen realisiert. Der Puffer soll verhindern oder zumindest minimieren, dass der Kolben hart aufschlägt, was Schrauben lösen und zu Luftverlust sowie Leistungs- und Geschwindigkeitsverlust führen könnte.
• Tandemzylinder: Dies sind zwei mechanisch miteinander verbundene, hintereinander montierte doppeltwirkende Zylinder, die die erzeugte Kraft verdoppeln. Normalerweise sind diese Zylinder gedämpft.
• Doppelstangenzylinder: Sie behalten in beiden Richtungen die gleiche Geschwindigkeit bei, da die beiden Kammern die gleiche Dimension haben. Sie werden verwendet, um Tische oder ähnliches zu bewegen.
• Multipositionszylinder: Bestehen aus zwei starr miteinander verbundenen Zylindern mit unabhängiger Steuerung. Wenn die Zylinder unterschiedliche Hübe haben, können vier verschiedene Positionen erreicht werden. Sie werden verwendet, um Objekte zu bewegen oder Kammern in festen Positionen zu positionieren.

Grundlagen der Strömungslehre

Laminare und turbulente Strömungen

Betrachtet man den Verlauf einer Strömung, so findet man Bereiche, in denen das Wasser ruhig, in Schichten und ohne Wirbel fließt. In anderen Bereichen, beispielsweise bei Hindernissen wie Felsen, bewegt sich das Wasser in ungeordneten Schichten und bildet Wirbel. Im ersten Fall sprechen wir von einer laminaren Strömung und im zweiten von einer turbulenten Strömung.

In einer Rohrströmung mit abrupten Querschnittsänderungen beobachten wir, dass die Strömung im größeren Abschnitt laminar sein kann und eine Geschwindigkeitsverteilung aufweist. Wenn der Querschnitt stark verengt wird, bewegen sich die Fluidpartikel aufgrund der Querschnittsänderung und der erhöhten Geschwindigkeit nicht mehr geordnet, sondern weichen seitlich ab und bilden Wirbel. Folglich wird die Strömung turbulent.

Wenn die Reynolds-Zahl einen Wert unter 2000 hat, spricht man von einer laminaren Strömung. Ist sie größer als 2000, ist die Strömung turbulent.

Grundlagen der Hydraulik

Energie in hydraulischen Systemen

Die Gesamtenergie eines hydraulischen Systems setzt sich aus vier Energieformen zusammen: potenzielle, Druck-, kinetische und thermische Energie. Die ersten beiden werden als statische Energie betrachtet, während die beiden anderen dynamische Energien sind. In hydraulischen Systemen muss zwischen mechanischer und hydraulischer Leistung unterschieden werden.

Hydraulikflüssigkeiten: Viskosität

Die Viskosität wird als der Widerstand definiert, den die Flüssigkeitsmoleküle dem Gleiten aneinander entgegensetzen. Sie gibt an, wie leicht oder schwer eine Flüssigkeit fließt. Ist die Viskosität zu hoch, erhöht sich die Reibung. Ist sie zu niedrig, kann dies zu erhöhter interner Leckage in den Komponenten führen.

Komponenten des Hydraulikaggregats

Hydrauliköltank (Speicher)

Der Hydrauliköltank hat in der Regel die Doppelfunktion der Speicherung und Aufbereitung der Hydraulikflüssigkeit. Er sollte in der Lage sein, Wärme abzuführen, Luft und Verunreinigungen vom Öl zu trennen. Folgende Faktoren sind zu berücksichtigen:

• Trennwand: Wird verwendet, um die Saugleitung von der Rücklaufleitung zu trennen.
• Standort: Sollte sich über der Pumpe befinden.
• Größe: Sollte das Zwei- bis Dreifache der Pumpenkapazität (in Litern pro Minute) betragen. Ein größerer Tank hat eine bessere Kühlleistung.
• Form: Ein geeigneter Tank sollte hoch und schmal sein. Der Ölstand muss immer über dem Pumpensauganschluss liegen.

Hydraulikpumpen: Funktionsprinzip

Pumpen sind die wichtigste Komponente eines hydraulischen Systems. Sie sind für die Zufuhr von Flüssigkeit verantwortlich. Dabei ist nicht nur die Menge der Flüssigkeit wichtig, sondern auch die Kraft, mit der die Pumpe fördert. Eine Pumpe hat einen Eingang mit niedrigem Druck, einen Ausgang mit hohem Druck und eine oder mehrere Pumpkammern, um die Flüssigkeit vom Eingang zum Ausgang zu transportieren.