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Druckluftkompressoren Duell der Druckluftkompressoren: Trockenläufer versus Fluidgekühlt

Autor / Redakteur: Erwin Ruppelt und Daniela Koehler / Dipl.-Medienwirt (FH) Matthias Back

Wer eine Druckluft-Station plant, muss früher oder später auch entscheiden, welche Art der Kompressoren er einsetzen möchte – trockenlaufend oder öleingespritzt. Doch was macht wann Sinn und wann nicht? Ein Vergleich beider Techniken zeigt die Unterschiede auf.

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Bild 1: Der Unterschied zwischen trockenlaufenden und fluidgekühlten Kompressoren offenbart sich im Inneren der Schraubenkompressoren – Trockenläufer haben zum Beispiel zwei Verdichterstufen.
Bild 1: Der Unterschied zwischen trockenlaufenden und fluidgekühlten Kompressoren offenbart sich im Inneren der Schraubenkompressoren – Trockenläufer haben zum Beispiel zwei Verdichterstufen.
(Bild: Kaeser Kompressoren)

Unterschieden werden Kompressoren in der Drucklufttechnik in fluidgekühlt und trockenlaufend. Fluidgekühlt heißt, dass eine Flüssigkeit direkt in den Verdichterraum eingespritzt wird. Das kann Öl sein, es kann sich aber auch zum Beispiel um Wasser handeln. Wenn Luft ohne diese interne Kühlung verdichtet wird, entstehen sehr hohe Temperaturen. Das eingespritzte Fluid hat den Vorteil, dass es sowohl kühlt, als auch Verschmutzungen, die eventuell in der Luft vorhanden sind, aufnimmt.

Trockenlaufende Kompressoren verdichten in zwei Stufen

Demgegenüber stehen trockenlaufende Systeme. Bei diesen wird der Verdichterraum in der Regel nicht mit einer Flüssigkeit geflutet. Ab einem bestimmten Verdichtungsverhältnis der Luft werden allerdings die Temperaturen, die im Inneren entstehen, wesentlich höher, weil nicht direkt durch Flüssigkeit gekühlt wird. Aufgrund der hohen Temperaturen benötigen trockenlaufende Kompressoren zwei Verdichterstufen (Bild 1), um ein höheres Verdichtungsverhältnis zu erreichen. Das Zwei-Stufensystem, die erforderliche Zwischenkühlung, die Kondensatabscheidung und die Pulsationsdämpfung, bringen einen erhöhen Energiebedarf mit sich, wodurch zunächst die Energiebilanz schlechter ausfällt als bei fluidgekühlten Kompressoren. Denn fluidgekühlte Kompressoren kommen im Gegensatz zu trockenlaufenden mit nur einer Verdichterstufe und niedrigeren Temperaturen aus.

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Sind ölfreie Kompressoren wirklich ölfrei?

Häufig werden trockenlaufende Kompressoren auch als „ölfrei“ bezeichnet. Sie sind aber in den meisten Fällen nicht ölfrei, da zum Beispiel die Lager in diesen Kompressoren durchaus mit Öl geschmiert sein können. Auch die Druckluft, die von den Kompressoren erzeugt wird, ist nicht zwangsläufig ölfrei, da die Kompressoren nur die Luft verdichten können, die sie aus dem Umfeld ansaugen. Ist also bereits in der Ansaugluft Öl in feinsten Partikeln enthalten, zum Beispiel durch industrielle oder motorische Verbrennungsvorgänge, ist dieses auch in der späteren Druckluft enthalten, sofern die Druckluft nach dem Verdichtungsprozess nicht aufbereitet wird.

Doch anhand welcher Kriterien lässt sich nun unterscheiden, wann welches System optimal ist?

Häufig wird davon ausgegangen, dass das Hauptkriterium die für eine Anwendung benötigte Druckluftqualität ist. Dies ist jedoch nicht der Fall (Bild 2). Druckluftqualitäten werden in der ISO-Klasse 8573-1 definiert: Je kleiner die Zahl, desto höher die Reinheit. Sofern Druckluftqualitäten erforderlich sind, die hochwertiger sind als die Klassen 4 (für Partikel), 4 (für Öl) und 6 (für Feuchtigkeit), muss jedem Typ Kompressor eine entsprechende Druckluftaufbereitung in Form von Trocknern oder Filtern nachgeschaltet werden, um die höhere Qualität zu erreichen. Was sind aber dann mögliche Unterscheidungskriterien für die Auswahl?

Abhängig vom Verdichtungsverhältnis

Zunächst ist der Bereich des Druckniveaus beziehungsweise der Verdichtungsverhältnisse ein Anhaltspunkt. Bei Verdichtungsverhältnissen von 1:2 und 1:4, beispielsweise für Anwendungen, die 0,5 bis 4 Bar absolut erfordern, sind trockenlaufende Systeme im Vorteil. In diesem geringen Druckbereich kommen Trockenläufer noch mit einer einzigen Verdichterstufe aus und benötigen keine zusätzliche Kühlung der Druckluft. Mitunter ist gerade die warme Luft, die bei Druckluftanwendungen wie dem pneumatischem Transport von Zement entsteht, von Vorteil.

Sobald das Verdichtungsverhältnis auf 1:4 steigt, ändert sich die Lage. Dann benötigen trockenlaufende Systeme eine zweite Verdichterstufe. In einem Druckbereich von 1:4 bis 1:11 sind öleingespritze Kompressoren gegenüber Trockenläufern im Hinblick auf die spezifische Leistung effizienter. Außerdem können sie problemlos bis zu einem Verdichtungsverhältnis von 1:16 arbeiten, während Trockenläufer bereits ab einem Verhältnis von 1:4 zweistufig arbeiten müssen. Zudem können Trockenläufer, auch wenn sie zweistufig sind, Verdichtungsverhältnisse von 1:11 nur in Sonderapplikationen überschreiten.

Größe der Kompressoren als Entscheidungskriterium

Neben dem Verdichtungsverhältnis ist die Größe der Kompressoren ein wichtiges Kriterium. Wird die spezifische Leistung der Kompressoren verglichen, so liefern öleingespritzte Kompressoren im Bereich von 2 bis 100 kW 20 % mehr Leistung als Trockenläufer. Im Leistungsbereich zwischen 100 und 250 kW reduziert sich der Vorteil auf rund 10 %, im Bereich von 250 bis 400 kW sind es noch etwa 5 %. Liegt die geforderte Leistung über 400 kW, können öleingespritzte Schraubenkompressoren nicht mehr selbständig arbeiten, sondern werden nur noch als Tandem-Anlagen bis etwa 800 kW gebaut. Trockenlaufende Kompressoren hingegen erreichen einen Größenbereich bis 900 kW. Darüber hinaus werden in der Regel Turboverdichter eingesetzt.

Anwendung spielt eine große Rolle

Auch die Anwendung, für die die Kompressoren eingesetzt werden, spielt eine bedeutende eine Rolle. Betrachtet man ausschließlich die spezifische Leistung, sind öleingespritze Kompressoren überwiegend im Vorteil. Allerdings gibt es manche Bereiche, bei denen die Trockenläufer technisch die Nase vorn haben. Nämlich immer dann, wenn im Laufe der Be- oder Verarbeitung hohe Temperaturen benötigt werden. Das ist zum Beispiel bei einigen Druckluftanwendungen im pneumatischen Transportbereich, bei Strahlmühlen oder beim Verbringen von Granulaten der Fall. Hier ist die von Trockenläufern erzeugte Druckluft, die Temperaturen über 200 °C erreichen kann, ein Pluspunkt. Die ohnehin vorhandene Wärme muss nicht zusätzlich erzeugt werden (Bild 3). So können Energiekosten gespart werden und die Gesamtenergiekostenbilanz eines Betriebes steigert sich.

Bei bestimmten Anwendungen, etwa in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie, werden häufig Trockenläufer bevorzugt, da sie kein Öl enthalten. Weil Druckluft für bestimmte Qualitätsklassen ohnehin aufbereitet werden muss, ist hierfür vielleicht der emotionale Aspekt ausschlagebend.

Kosten variieren je nach Kompressortyp

Betrachtet man die reinen Kosten für Investition, Anschaffung und Wartung, ergibt sich ein differenziertes Bild. Öleingespritzte Schraubenkompressoren sind in der Anschaffung und bei den Energiekosten zunächst deutlich günstiger als trockenlaufende Anlagen. Bei der Wartung sind fluidgekühlte Kompressoren allerdings geringfügig teurer (Bild 4). Sonst unterscheiden sich die Kosten kaum.

Mit einkalkulierter Wärmerückgewinnung ändert sich die Kostenbilanz

Wird jedoch eine mögliche Wärmerückgewinnung mit einkalkuliert, ändert sich die Bilanz, abhängig davon, wie hoch die benötigten Temperaturen sind. Öleingespritzte Kompressoren können leicht Temperaturen erzeugen, die in der Wärmerückgewinnung eine Nutzung bis 70 °C erlauben. Trockenlaufende Kompressoren können bis 90 °C eingesetzt werden. Werden also Temperaturen zwischen 40 bis 70 °C benötigt, zum Beispiel für Prozesswasser, ermöglichen öleingespritzte Kompressoren eine Gesamtenergiekostenersparnis von 36 %, trockenlaufende von 45 %.

Bei Temperaturen bis 90 °C ist der Vorteil von Trockenläufern deutlich größer. Sie ermöglichen dann eine Ersparnis von 42 %, während der Vorteil von öleingespritzten bei lediglich 27 % liegt, da bei diesen die Temperaturdifferenz wieder durch zusätzliches Aufheizen ausgeglichen werden muss.

Jeder Kompressortyp hat eigene Vor- und Nachteile

Bei der Betrachtung von Druckluftsystemen lässt sich kein Pauschalurteil darüber fällen, welches System vorzuziehen ist. Öleingespritzte Systeme bieten Pluspunkte bei spezifischer Leistung und Kosten, trockenlaufende Systeme sind besonders in Leistungsrandbereichen oder bei bestimmten Anwendungen von Vorteil. Häufig gibt es auch branchenspezifische oder firmeninterne Vorschriften, die ein Verfahren notwendig machen. Deshalb ist es ratsam, den Einzelfall genau zu prüfen und erst danach zu entscheiden, welches System aufgrund der Bedingungen für die individuelle Anwendung optimal ist.

Der Beitrag erschien zuerst auf dem Portal unserer Schwestermarke MM Maschinenmarkt.

* Erwin Ruppelt ist leitender Projektingenieur bei der Kaeser Kompressoren SE in 96450 Coburg, Daniela Koehler ist dort als Pressesprecherin tätig, Tel. (0 95 61) 6 40-4 52, daniela.koehler@kaeser.com

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