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Zwei Grundprinzipien der Verdichtung: Verdrängungsverdichtung und dynamische Verdichtung

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Bevor Sie mehr über die verschiedenen Kompressoren und Verdichtungsmethoden erfahren, stellen wir Ihnen zunächst die zwei Grundprinzipien der Gasverdichtung vor. Danach vergleichen wir die beiden Methoden und betrachten die verschiedenen Kompressoren in diesen Kategorien.

Was sind die beiden Grundprinzipien der Verdichtung?

Verdrängungs- und dynamische Verdichtung

Es gibt zwei allgemeine Prinzipien für die Verdichtung von Luft (oder Gas): die Verdrängungsverdichtung und die dynamische Verdichtung. In die erste Gruppe gehören beispielsweise Kolbenkompressoren, Scrollkompressoren und verschiedene Arten von Rotationskompressoren (Schraubenkompressoren, Drehzahnkompressoren, Drehschieberkompressoren). Bei der Verdrängungsverdichtung wird die Luft in eine oder mehrere Verdichtungskammern gesaugt, deren Einlass dann geschlossen wird. Das Volumen der einzelnen Kammern nimmt allmählich ab, und die Luft wird intern verdichtet. Wenn der Druck das gewünschte Druckverhältnis erreicht hat, wird ein Anschluss oder Ventil geöffnet, und die Luft wird aufgrund der kontinuierlichen Verringerung des Volumens in der Verdichtungskammer in das Auslasssystem abgegeben.

Bei der dynamischen Verdichtung wird die Luft zwischen den Flügeln eines sich schnell drehenden Verdichtungslaufrads angesaugt und auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Das Gas wird dann durch einen Diffusor geleitet, wo die kinetische Energie in statischen Druck umgewandelt wird. Die meisten dynamischen Kompressoren sind Turbokompressoren mit einem axialen oder radialen Strömungsmuster.

Was sind Verdrängerkompressoren?

Kolbenkompressor

Eine Fahrradpumpe ist die einfachste Form einer Verdrängungsverdichtung, bei der Luft in einen Zylinder gesaugt und durch einen beweglichen Kolben verdichtet wird. Der Kolbenkompressor hat das gleiche Funktionsprinzip und verwendet einen Kolben, dessen Vorwärts- und Rückwärtsbewegung durch eine Pleuelstange und eine rotierende Kurbelwelle erzeugt wird. Wenn nur eine Seite des Kolbens für die Verdichtung verwendet wird, wird dies als einfach wirkender Kompressor bezeichnet. Wenn sowohl die Ober- als auch die Unterseite des Kolbens verwendet wird, handelt es sich um einen doppelt wirkenden Kompressor.

Das Druckverhältnis ist das Verhältnis zwischen dem absoluten Druck auf der Einlass- und auf der Auslassseite. Daher hat ein Kompressor, der Luft mit atmosphärischen Druck (1 bar(a)) ansaugt und diese auf einen Überdruck von 7 bar verdichtet, ein Druckverhältnis von (7 + 1)/1 = 8).

Kompressordiagramm für Verdrängerkompressoren

Die beiden folgenden Grafiken zeigen jeweils das Druck-Volumen-Verhältnis für einen theoretischen Kompressor und ein realistischeres Kompressordiagramm für einen Kolbenkompressor. Das Hubvolumen ist das Zylindervolumen, das der Kolben während der Ansaugphase durchläuft. Der Schadraum ist das Volumen unterhalb des Einlass- und Auslassventils und über dem Kolben, das aus mechanischen Gründen am oberen Totpunkt des Kolbens bleiben muss.


Die Differenz zwischen dem Hubvolumen und dem Ansaugvolumen entsteht durch die Ausdehnung der Luft im Schadraum, bevor die Ansaugung beginnt. Die Differenz zwischen dem theoretischen p-V-Diagramm und dem tatsächlichen Diagramm ergibt sich aus dem praktischen Aufbau eines Kompressors, z. B. eines Kolbenkompressors. Die Ventile sind nie vollkommen dicht, und es besteht immer eine gewisse Leckage zwischen Kolbenschaft und Zylinderwand. Außerdem tritt beim Öffnen und Schließen der Ventile immer eine minimale Verzögerung auf, was zu einem Druckabfall führt, wenn das Gas durch die Kanäle fließt. Aufgrund dieses Aufbaus wird das Gas außerdem erwärmt, wenn es in den Zylinder strömt.


Formel isotherme Verdichtung

Verdichtungsarbeit bei isothermer Verdichtung:

Formel isentrope Verdichtung

Verdichtungsarbeit bei isentroper Verdichtung:


Diese Verhältnisse zeigen, dass mehr Arbeit für die isentrope Verdichtung erforderlich ist als für die isotherme Verdichtung.

Was sind dynamische Kompressoren?

Bei einem dynamischen Kompressor erfolgt der Druckanstieg, während das Gas strömt. Das strömende Gas wird durch die rotierenden Flügel eines Laufrads beschleunigt. Die Geschwindigkeit des Gases wird dann in statischen Druck umgewandelt, wenn es bei der Ausdehnung in einem Diffusor dazu gezwungen wird, sich zu verlangsamen. Je nach Hauptrichtung der Gasströmung werden diese Kompressoren als Radial- oder Axialkompressoren bezeichnet. Im Vergleich zu Verdrängerkompressoren zeichnen sich dynamische Kompressoren dadurch aus, dass eine geringfügige Änderung des Betriebsdrucks zu einer großen Änderung der Volumenstromrate führt.

Für jede Laufraddrehzahl gelten eine obere und eine untere Volumenstromratenbegrenzung. Die obere Grenze bedeutet, dass die Gasströmungsgeschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit erreicht. Die untere Grenze bedeutet, dass der Gegendruck größer wird als der vom Kompressor aufgebaute Druck, was zu einem Rückströmung innerhalb des Kompressors führt. Dies wiederum führt zu Pulsation, Geräuschentwicklung und dem Risiko von mechanischen Schäden.

Mehrstufige Verdichtung

In der Theorie kann Luft oder Gas isentrop (bei konstanter Entropie) oder isotherm (bei konstanter Temperatur) verdichtet werden. Beide Prozesse können Teil eines theoretisch reversiblen Kreislaufs sein. Wenn das verdichtete Gas unmittelbar nach der Verdichtung mit seiner Endtemperatur verwendet werden könnte, hätte der isentrope Verdichtungsprozess bestimmte Vorteile. In der Praxis wird die Luft oder das Gas selten direkt nach der Verdichtung verwendet und wird normalerweise vor der Verwendung auf Umgebungstemperatur gekühlt. Folglich wird der isotherme Verdichtungsprozess bevorzugt, da er weniger Arbeit erfordert. Ein gebräuchlicher praxisorientierter Ansatz zur Durchführung des isothermen Verdichtungsprozesses beinhaltet die Kühlung des Gases während der Verdichtung. Bei einem effektiven Betriebsdruck von 7 bar erfordert die isentrope Verdichtung 37 % mehr Energie als die isotherme Verdichtung.


Eine praktische Methode zur Verringerung der Gaserwärmung besteht darin, die Verdichtung in mehrere Stufen zu teilen. Das Gas wird nach jeder Stufe gekühlt, bevor es weiter bis zum Enddruck verdichtet wird. Dies erhöht auch die Energieeffizienz, wobei das beste Ergebnis erzielt wird, wenn jede Verdichtungsstufe das gleiche Druckverhältnis hat. Durch die Erhöhung der Anzahl der Verdichtungsstufen nähert sich der gesamte Prozess der isothermen Verdichtung. Es gibt jedoch eine wirtschaftliche Grenze für die Anzahl der Stufen, die in einer Installation in der Praxis verwendet werden können.


Worin besteht der Unterschied zwischen einem Turbokompressor und einem Verdrängerkompressor?

Bei konstanter Drehzahl unterscheidet sich die Druck-/Strömungskurve eines Turbokompressors erheblich von der entsprechenden Kurve eines Verdrängerkompressors. Turbokompressoren sind Kompressoren mit variabler Volumenstromrate und variablem Druckverhalten. Verdrängerkompressoren hingegen sind Kompressoren mit konstanter Volumenstromrate und variablem Druck. Ein Verdrängerkompressor erreicht selbst bei niedriger Drehzahl ein höheres Druckverhältnis. Turbokompressoren sind für große Volumenstromraten ausgelegt.


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