Entscheidungshilfe : Drehkolben oder Schraubengebläse? Kaeser hilft bei der Entscheidung

In der Familie der zweiwelligen Drehkolbenverdichter waren lange Drehkolbengebläsen die Klassiker, bis vor kurzem speziell für den Niederdruck optimierte Schraubenverdichter hinzukamen. Die Frage ist seitdem, welcher Typ eignet sich wann und warum am besten? Kaeser Kompressoren liefert dazu folgende Antworten:

Gleich vorne weg: Eine pauschale Aussage gibt es nicht, aber es gibt einige Faktoren anhand deren eine Orientierung möglich ist. Die Bandbreite der möglichen Anwendungen für Gebläse ist groß. Im Bereich der Industrie reichen diese von der Belüftung von Flüssigkeiten (Abwasseraufbereitung, Bioreaktoren, Flotation), über die Luftzufuhr zu Feuerungsanlagen bis zur pneumatischen Förderung von Schüttgütern und der Fluidisierung.

In der Regel spielen sich diese Anwendungen im Niederdruck bis 1 bar Druckdifferenz ab, weisen jedoch teilweise sehr unterschiedliche Last- beziehungsweise Laufzeiten auf. Einige dieser Anwendungen, meist die im Bereich der Flüssigkeitsbelüftung, erfordern von den Gebläsen einen sehr variablen Volumenstrom, während der zeitliche Druckverlauf konstant ist. Andere Anwendungen, wie zum Beispiel die pneumatische Schüttgutförderung, weisen zeitlich stärker schwankende Drücke auf und erfordern gleichzeitig einen stabilen Volumenstrom. Zeitweise werden die Gebläse auch in Leerlaufs versetzt, das heißt sie bleiben ohne prozessseitigen Gegendruck aus dem sich anschließenden Verteilernetz in Betrieb. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn kein Schüttgut in die Förderleitung eingeschleust wird, während das Gebläse läuft.

Relevant für die Wahl der für die jeweilige Anwendung geeignetsten Verdichtertechnologie ist zunächst, ob der Volumenstrom variabel sein muss und in welchem Bereich. Danach gilt es herauszufinden, wie der erforderliche Betriebsdruck zeitlich verläuft. Beides sollte nicht nur bekannt sein, um generell im Vorfeld herauszufinden, welcher Verdichter geeignet ist, sondern ist auch wichtig, um prognostizieren zu können, welche Energieeinsparungen erzielbar sind. Mancher Verdichter, der im ersten Moment am effizientesten erscheinen mag, kann dennoch mitunter schlechter abschneiden, wenn es um Energieeinsparung geht. Nämlich dann, wenn er nur bei Teillast oder mit nur sehr wenigen Betriebsstunden betrieben wird.

Doch zunächst einiges zu den konstruktiven und thermodynamischen Unterschieden zwischen Drehkolbengebläse und Schraubenverdichter, aus denen sich letztlich die Empfehlungen für deren idealen Einsatzfall ergeben.

Ein Blick auf die Geometrie der Rotoren zeigt den wesentlichen Unterschied zwischen den beiden Verdichtertechnologien. Haupt- und Nebenrotor bei den Drehkolbengebläsen sind vom Querschnitt her gleich, zum Beispiel sind beide dreiflügelig und verlaufen in Längsrichtung geradlinig. Die Größe des Luftvolumens, das zwischen Zylinder und den Rotorflügeln eingeschlossenen wird, bleibt während der Rotordrehung bzw. des Verdichtungsvorgangs konstant. In der Thermodynamik wird dies als isochore Verdichtung bezeichnet. Der eigentliche Druck baut sich erst nach dem Verdichter in der sich anschließenden Prozessleitung auf. Er entsteht dadurch, dass stetig Luftmolekülen gegen die in der Leitung herrschenden Widerstände nachgeschoben werden. Ist die Prozessleitung frei von Widerständen - wenn sich zum Beispiel bei der pneumatischen Förderung kein Schüttgut in der Leitung befindet - dann entsteht durch das Luftnachschieben praktisch kein Gegendruck. Drehkolbengebläse lassen sich deshalb auch als adaptiv bezeichnen, da sie immer nur so viel Druck erzeugen, wie sich aus den aktuellen Strömungswiderständen des Prozesses ergibt.

Schraubengebläse bezeichnet werden, haben schraubenförmige Rotoren, die ineinandergreifen. In den Nuten beider Rotoren wird die Ansaugluft eingeschlossen, das Volumen im Laufe der Rotordrehung stetig reduziert und zuletzt durch das sogenannte Auslassfenster ausgeschoben. Es findet somit bereits im Inneren des Verdichters eine Volumenverringerung und damit eine Druckerhöhung statt. Das Verhältnis Ein- und Austrittsvolumen wird durch die Geometrie der Rotoren und des Auslassfensters bestimmt. Der Verdichtungsvorgang entspricht vom Prinzip her der isentropen Verdichtung. Das Ausschieben eines bereits verkleinerten Luftvolumens gegen den in der Prozessleitung vorherrschenden Druck erfordert weniger Verdrängungsarbeit und spart somit Energie, gerade bei höheren Drücken.

Jedoch ist darauf zu achten, dass der erforderliche Betriebsdruck des Prozesses nahe am Druck liegt, den der Schraubenverdichter durch seine interne Verdichtung in den Arbeitskammern erzeugt. Liegt der Verdichtungsenddruck weit oberhalb des erforderlichen Betriebsdrucks, spricht man von einer Überverdichtung, das heißt, es wird mehr Druck und somit mehr Verdichtungsarbeit generiert, als notwendig. Dies reduziert die möglichen Energieeinsparungen. Weiterhin ist zu beachten, dass Schraubenverdichter auch bei druckloser Prozessleitung, zum Beispiel. wenn dieser kein Schüttgut zugeführt wird, infolge der internen Verdichtung in den Arbeitskammern auch im Leerlaufbetrieb Druck erzeugen und somit im Vergleich zu den Drehkolbengebläsen in diesem Lastzustand mehr Energie verbrauchen.

Schrauben- ebenso wie Drehkolbengebläse arbeiten nur dann am effizientesten, wenn sie richtig eingesetzt werden. Deshalb ist vor der Anschaffung eines Systems eine genaue Analyse des erforderlichen Drucks und Volumenstroms notwendig. Am besten gelingt dies mit einer realitätsnahen Prognose oder bei bestehenden Systemen durch eine Aufzeichnung des zeitlichen Druckverlaufs. Wird dies nicht gemacht, besteht die Gefahr, die Energiekostenrechnung und Auswahl des Verdichters fälschlicherweise auf seltene Spitzendrücke zu beziehen anstatt auf den durchschnittlichen Betriebsdruck. Gleiches gilt auch für den zeitlichen Verlauf des erforderlichen Volumenstroms. Ziel ist es, die energetisch jeweils optimalen Gebläse für den am häufigsten gefahrenen Betriebsbereich zu finden, um nicht irrtümlich das Energieoptimum in einen höchst seltenen Betriebspunkt zu legen, der nur an wenigen Tagen im Jahr angefahren wird. Die Gebläse müssen so ausgelegt sein, dass sie zwar den maximal erforderlichen Druck und Volumenstrom erbringen, jedoch insgesamt da am effizientesten sind, wo in der Realität am häufigsten gearbeitet wird.

Die Hersteller von Kompressoren können auf Nachfrage diverse Analysesysteme für die Aufzeichnung der Betriebsdrücke und weiterer Betriebsdaten einsetzen und auf Basis dessen computergestützte Simulationsrechnungen für Energievergleiche durchführen. www.kaeser.com