Kompressortechnik

Im Folgenden werden die Grundlagen der Kompressortechnik dargestellt.

Historische Entwicklung der Kompressortechnik

Ein Kompressor (Verdichter) ist eine Fluidenergiemaschine, die zum Komprimieren von Gasen benötigt wird. Der wahrscheinlich früheste und primitivste Verdichter der Menschheit zum Komprimieren von Gasen war der Blasebalg. Mit diesem wurde beim Schmieden die Glut durch einem Luftstrom auf die richtige Temperatur gebracht. Die ersten Kolbenmaschinen waren Kolbenpumpen. Die erste bekannte Entwicklung dieser Art war die Feuerlöschpumpe von Atsebius um etwa 200 v. Chr. in Alexandria. Anschließend dauerte es zum nächsten Schritt bei der Entwicklung des Verdichters bis 1641, als Otto von Guericke die Luftpumpe zur Vakuumerzeugung erfand. Die Dampfmaschinenentwicklung ab 1712 begünstigte auch weitere Fortschritte beim Bau der Kolbenverdichter. Allerdings kamen mehrstufige Verdichter für höhere Drücke erst Ende des 19. Jahrhunderts auf. Seitdem hat sich die Kompressortechnik kontinuierlich weiterentwickelt.

Kompressorvarianten

Prinzipiell gibt es bei Kompressoren zwei Gruppen, die sich in Ihrer Funktionsweise und der zugrundeliegenenden Kompressortechnik grundsätzlich unterscheiden: Zum einen den Verdrängerverdichter und zum anderen den Turboverdichter. Der Turboverdichter beschleunigt zunächst das Fluid – in diesem Fall Luft – durch Schaufelräder. Anschließend erhöht er mit Hilfe eines Diffusors, also durch Querschnittsverkleinerung, den Druck.
Aus der Gruppe der Verdrängerverdichter kommen bei der Drucklufterzeugung hauptsächlich der Kolbenverdichter (oszillierend) und der Schraubenverdichter (rotierend) zum Einsatz. Der Kolbenverdichter ist dabei aufgrund seiner einfacheren und kostengünstigeren Bauweise im Preissegment bis 1000 € wesentlich häufiger anzutreffen. Fast jeder hatte allerdings auch schon einmal Kontakt mit einem Schraubenverdichter, denn der Bohrer beim Zahnarzt wird durch einen Schraubenverdichter angetrieben.
Bei einem Schraubenkompressor verdichten zwei ineinander kämmende Schrauben das Fluid kontinuierlich und damit vibrationsfrei. Dies ist bei bestimmten Einsatzzwecken ein entscheidender Vorteil gegenüber dem Kolbenkompressor. Mit Nennfördervolumenströmen von 50 m3/h bis 5000 m3/h fügen sich die Schraubenverdichter gut zwischen den Kolben- und Turboverdichtern ein. Sie vereinen die Vorzüge der Kolbenmaschinen mit denen der Turbomaschine: Sie haben Steuerkanten sowohl auf der Saug- und auf der Druckseite. Sie benötigen keine Arbeitsventile und sind damit relativ unempfindlich gegen mitgerissene Flüssigkeiten oder Fremdkörper. Deshalb hat der Schraubenverdichter keinen Schadraum und damit einen hohen Liefergrad (l). Der tatsächliche Förderstrom ist nur wenig vom Druckverhältnis abhängig, so dass relativ große Druckverhältnisse zulässig sind. Etwa die Hälfte aller heute produzierten Kompressoren sind Schraubenkompressoren.

Der Kolbenkompressor

Der Kolbenkompressor ist ähnlich aufgebaut wie ein Verbrennungsmotor, nur funktioniert er sozusagen umgekehrt. Beim Kompressor wird der Kolben (meist elektrisch) über eine Kurbelwelle mit Pleuelstangen angetrieben. Während des Abwärtshubes des Kolbens wird über ein Saugventil Luft in den Zylinder gesaugt. Am unteren Totpunkt schließt das Saugventil, der Zylinder ist nun folglich gasdicht. Während des Aufwärtshubes wird die angesaugte Luft im Zylinder komprimiert und anschließend über ein Druckventil an einen Druckbehälter oder direkt an ein Druckluftnetz abgegeben. Die meisten für den handwerklichen oder privaten Gebrauch geeigneten Kompressoren arbeiten mit einem angeschlossenen Druckbehälter und einem Druckminderer. Auf diese Weise kann die Druckluft bequem mit dem voreingestellten Luftdruck entnommen werden. Kolbenkompressoren gibt es in ein- und mehrzylindrigen, sowie in ein und mehrstufigen Bauweisen. Die mehrzylindrige Bauweise wird bei hohen Liefermengen Anwendung, die mehrstufige Bauweise bei hohen Drücken.

Verdichtungsmechanismen

Einstufige Verdichtung: Verdichtung bis zum Enddruck mit einem Kolbenhub.
Zweistufige Verdichtung: Die im Zylinder der ersten Stufe komprimierte Luft wird in einem Zwischenkühler abgekühlt und dann in der zweiten Stufe auf den Enddruck gebracht.
Einfachwirkende Verdichter: Ein Kompressionsvorgang bei einer Umdrehung der Kurbelwelle.
Doppelt wirkende Verdichter: Zwei Kompressionsvorgänge bei einer Umdrehung der Kurbelwelle.
Die Kompressoren, die für das Handwerk oder den Hausgebrauch vorrangig von Bedeutung sind, sind die Kolbenkompressoren mit einstufiger, einfachwirkender Verdichtung. Diese arbeiten mit einem Druckbereich bis 10 bar und einem Volumenstrom bis 120 m³/h. Sie sind damit für die allermeisten Anwendungen wie z.B. Airbrushanwendungen oder Luftdruckwerkzeug vollkommen ausreichend.

Vorteile von Kolbenkompressoren

– Verdichtung fast aller technischen Gase möglich
– effiziente Verdichtung bis zu Drücken von 40 bar
– einsetzbar als Nachverdichter
– einfache Steuerung
– wirtschaftlicher Start-Stopp-Betrieb

Verschleiß bei Kompressoren

Bei Verdichtern ist die auch die Motordrehzahl nur von zweitrangiger Bedeutung. Die maßgebliche Kenngröße für den Verschleiß ist die Kolbengeschwindigkeit. So kann ein Kompressor mit kleiner Drehzahl und großem Hub eine hohe Kolbengeschwindigkeit haben. Im Gegensatz dazu können Kompressoren mit hohen Drehzahlen und kleinem Hub geringe Kolbengeschwindigkeiten haben. Eine niedrige Kolbengeschwindigkeit bedeutet vereinfacht gesagt weniger Verschleiß.

Ansaugleistung und Liefermenge

Die Ansaugleistung (Hubvolumenstrom) ist eine rechnerische Größe bei Kolbenkompressoren. Sie ergibt sich aus dem Produkt von Zylinderinhalt, Kompressordrehzahl und Anzahl der verbauten Zylinder. Die Ansaugleistung wird angegeben in l/min, m³/min oder m³/h. Die Liefermenge wird gemessen nach dem VDMA Einheitsblatt 4362, DIN 1945, ISO 1217 oder nach PN2 CPTC2. Das Verhältnis von Liefermenge zu Ansaugleistung ist der volumetrische Wirkungsgrad.

Kühlmittel

Leistungsstarke Kolbenkompressoren werden vorwiegend in luftgekühlter Ausführung hergestellt. Die Luftkühlung hat den Vorteil, daß sie beliebiger Menge und kostenfrei zur Verfügung steht. Die Kühlluft wird bei größeren Maschinen von einem Ventilator erzeugt. Der Ventilator drückt Kühlluft über den Zwischen- oder Nachkühler und über den Kompressor. Beim Verdichten bzw. Abkühlen der Druckluft fällt innerhalb des Kühlers Kondensat an. Das Kondensat wird durch die Strömungsgeschwindigkeit der Druckluft aus dem Nachkühler in das Leitungsnetz bzw. den nachgeschalteten Druckluftbehälter mitgerissen. Kleinere oder leistungsschwächere Kompressoren geben ihre Abwärme über Kühlrippen ab.

Ölgeschmierte und Ölfreie Kompressoren

Eine recht junges Feld der Kompressortechnik eröffnete sich durch das Aufkommen ölfreier Kompressoren. Ölfreie Kompressoren kommen im Gegensatz zu ölgeschmierten Kompressoren gänzlich ohne Schmiermittel aus. Vor allem im Bereich Lackierung und Airbrush erfreuen sich ölfreie Kompressoren großer Beliebtheit.

Weitere Details zur Kompressortechnik finden sich unter dem Glossar.

Hier ein lehrreiches Video zur Reparatur eines Einhell-Kompressors älteren Datums: