Grundlagen des Hubkolbenverdichters

Ein Hubkolbenverdichter ist eine Verdrängungsmaschine, die ein Gas mit Hilfe eines Kolbens verdichtet und unter hohem Druck abgibt.

Sie gehören oft zu den kritischsten und teuersten Systemen einer Produktionsanlage und verdienen besondere Aufmerksamkeit. Gaspipelines, petrochemische Anlagen, Raffinerien und viele andere Industriezweige sind auf diese Art von Ausrüstung angewiesen.

Aufgrund vieler Faktoren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Qualität der ursprünglichen Spezifikation/Konstruktion, die Angemessenheit der Wartungspraktiken und betriebliche Faktoren, können Industrieanlagen sehr unterschiedliche Lebenszykluskosten und Zuverlässigkeit von ihren eigenen Anlagen erwarten.

Viele verschiedene Kompressoren sind in fast jeder Industrieanlage zu finden. Zu den Arten der verdichteten Gase gehören die folgenden:

• Luft für Druckluftsysteme für Werkzeuge und Instrumente

• Wasserstoff, Sauerstoff, etc. für die chemische Verarbeitung

• leichte Kohlenwasserstofffraktionen in der Raffination

• verschiedene Gase für die Lagerung oder Übertragung

• sonstige Anwendungen

Es gibt zwei Hauptkategorien von Industriekompressoren: Kompressoren mit intermittierendem Durchfluss (Verdrängungskompressoren), einschließlich Hubkolben- und Rotationskompressoren, und Kompressoren mit kontinuierlichem Durchfluss, einschließlich Zentrifugalkompressoren und Axialkompressoren.

Hubkolbenkompressoren werden in der Regel dort eingesetzt, wo hohe Verdichtungsverhältnisse (Verhältnis von Auslass- zu Ansaugdruck) pro Stufe ohne hohe Durchflussmengen erforderlich sind und die Prozessflüssigkeit relativ trocken ist.

Nassgaskompressoren sind in der Regel Zentrifugaltypen. Anwendungen mit hohem Durchfluss und niedrigem Verdichtungsverhältnis werden am besten von Axialkompressoren bedient. Rotationskompressoren werden in erster Linie für Druckluftanwendungen eingesetzt, obwohl auch andere Kompressortypen in der Drucklufttechnik zu finden sind.

Grundlegende Konstruktion

Die Hauptkomponenten eines typischen Kolbenkompressorsystems sind in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Autor noch nie eine „typische“ Kompressoranlage gesehen hat und dass es viele Ausnahmen gibt.

Die Kompressionszylinder (Abbildung 1), auch als Stufen bezeichnet, von denen eine bestimmte Konstruktion eine bis sechs oder mehr haben kann, sorgen für den Einschluss des Prozessgases während der Verdichtung.

Ein Kolben wird hin und her bewegt, um das Gas zu verdichten. Die Anordnungen können einfach- oder doppeltwirkend sein. (Bei der doppeltwirkenden Ausführung erfolgt die Kompression auf beiden Seiten des Kolbens sowohl während des Vorwärts- als auch des Rückwärtshubs.)

Einige doppeltwirkende Zylinder in Hochdruckanwendungen haben eine Kolbenstange auf beiden Seiten des Kolbens, um die gleiche Oberfläche zu bieten und die Lasten auszugleichen. Tandem-Zylinderanordnungen tragen zur Minimierung der dynamischen Belastungen bei, indem die Zylinder paarweise angeordnet und mit einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden sind, so dass die Bewegungen der Kolben einander entgegengesetzt sind.

Durch die Verwendung von Einweg-Kolbenringen bzw. -Reiterbändern wird der Gasdruck abgedichtet und der Verschleiß teurer Komponenten minimiert. Diese bestehen aus vergleichsweise weichen Metallen im Vergleich zur Kolben- und Zylinder-/Laufbuchsen-Metallurgie oder aus Materialien wie Polytetrafluorethylen (PTFE).

Abbildung 2 A. Zweistufiger HSE-Rahmen und -Laufwerk

Abbildung 2 B. Zweistufiger HSE-Rahmen und -Laufwerk

Die meisten Ausrüstungskonstruktionen enthalten zwangsgesteuerte Blockschmiersysteme; wenn es jedoch keine Prozesstoleranz für Ölverschleppung gibt, werden ungeschmierte Konstruktionen eingesetzt.

Zylinder für größere Anwendungen (typischerweise ab 300 PS) sind mit Kühlmittelkanälen für Thermosyphon- oder Flüssigkeitsumlaufsysteme ausgestattet, während einige kleinere Kompressoren für den Hausgebrauch und für Werkstätten in der Regel luftgekühlt sind. Große Anwendungszylinder sind in der Regel mit austauschbaren Auskleidungen ausgestattet, die in die Bohrung eingepresst werden, und können mit einem Verdrehschutzstift versehen sein.

Das Prozessgas wird in den Zylinder gesaugt, gepresst, eingeschlossen und dann durch mechanische Ventile freigegeben, die in der Regel automatisch durch Differenzdrücke funktionieren. Je nach Systemdesign können die Zylinder ein oder mehrere Ansaug- und Auslassventile haben.

Entlastungsventile und Abstandshalter sind spezielle Ventile, die den Prozentsatz der Volllast steuern, den der Kompressor bei einer bestimmten Drehzahl seines Antriebs trägt. Entlastungsventile beeinflussen die Wirkung der Ansaugventile, um die Rückführung des Gases zu ermöglichen.

Freilufttaschenventile verändern den Zylinderkopfraum (Freivolumen). Sie können ein festes oder variables Volumen haben. Diese Vorrichtungen gehen über den Rahmen dieses Artikels hinaus.

Das Distanzstück (manchmal auch Hundehütte genannt) ist ein Bauteil, das den Kompressorrahmen mit dem Zylinder verbindet. Eine Vermischung von Flüssigkeiten zwischen dem Zylinder und dem Zwischenstück muss vermieden werden. Packungsringe halten den Gasdruck im Zylinder und verhindern, dass Öl in den Zylinder eindringt, indem sie das Öl von der Kolbenstange auf ihrem Weg abwischen.

Das Zwischenstück wird in der Regel entsprechend dem gefährlichsten Material im System entlüftet, das häufig das im Zylinder komprimierte Gas ist. Die Dichtungsringe sind so konstruiert, dass sie das Gas im Zylinder zurückhalten, aber bei dem hohen Druck ist es möglich, dass ein Teil des komprimierten Gases an den Dichtungsringen vorbei entweicht.

Das im Kompressorrahmen untergebrachte Fahrwerk (Abbildung 2) besteht aus dem Kreuzkopf und der Pleuelstange, die die Kolbenstange mit der Kurbelwelle verbinden und deren Drehbewegung in eine lineare Hin- und Herbewegung umwandeln.

Die Kurbelwelle ist mit Gegengewichten versehen, um die durch die Bewegung der schweren Kolben entstehenden dynamischen Kräfte auszugleichen. Sie ist im Rahmen des Verdichters durch Gleitlager an mehreren Zapfen gelagert. Ein Schwungrad ist ebenfalls vorhanden, um die Rotationsträgheit zu speichern und einen mechanischen Vorteil für die manuelle Drehung der Baugruppe zu bieten.

Einige Kompressoren schmieren ihre Rahmenfahrwerke mit einer integrierten, wellengetriebenen Ölpumpe, während andere mit umfangreicheren, auf Kufen montierten Schmiersystemen ausgestattet sind. Alle ordnungsgemäß konzipierten Systeme sorgen nicht nur für die Ölzirkulation zu den kritischen Oberflächen der Anlage, sondern auch für die Temperaturregelung des Schmiermittels, die Filtration und ein gewisses Maß an Instrumentierung und Redundanz.

Sauggase werden in der Regel durch Ansaugsiebe und Abscheider geleitet, um mitgerissene Partikel, Feuchtigkeit und flüssige Prozessflüssigkeit zu entfernen, die schwere Schäden an den Kompressorventilen und anderen kritischen Komponenten verursachen und sogar die Zylinderintegrität mit katastrophalen Folgen gefährden könnten.

Gas kann auch vorgewärmt werden, um flüssiges Prozessgas in die Dampfphase zu überführen. Zwischenkühler bieten eine Möglichkeit zur Wärmeabfuhr aus dem Prozessgas zwischen den Verdichtungsstufen. (Siehe den folgenden Abschnitt: Der thermodynamische Kreislauf.) Diese Wärmetauscher können Teil des Öl- und/oder Zylinderkühlsystems des Verdichters sein, oder sie können an das Kühlwassersystem der Anlage angeschlossen werden.

Auf der Druckseite dienen Druckbehälter als Pulsationsdämpfer, die eine Systemkapazität bereitstellen, um die den Verdichtungshüben des Kolbens entsprechenden Strömungs- und Druckpulsationen auszugleichen.

Typischerweise sind Kolbenkompressoren Geräte mit relativ niedriger Drehzahl und werden von einem Elektromotor direkt oder über einen Riemen angetrieben, entweder mit oder ohne Drehzahlregelung.

Oft wird der Motor so hergestellt, dass er ein integraler Bestandteil des Kompressors ist, und die Motorwelle und die Kurbelwelle des Kompressors sind einteilig, so dass keine Kupplung erforderlich ist. Getriebe werden in verschiedenen Anlagen eingesetzt.

Gelegentlich, aber seltener, werden sie von Dampfturbinen oder anderen Energiequellen wie Erdgas- oder Dieselmotoren angetrieben. Die Gesamtkonstruktion des Systems und der gewählte Antriebstyp beeinflussen die Schmierung dieser peripheren Systeme.

Der thermodynamische Kreislauf

Eine Erklärung einiger grundlegender thermodynamischer Prinzipien ist notwendig, um die Wissenschaft der Kolbenkompressoren zu verstehen. Die Verdichtung erfolgt im Zylinder in einem vierteiligen Zyklus, der bei jedem Vorschub und Rückzug des Kolbens (zwei Hübe pro Zyklus) abläuft.

Die vier Teile des Zyklus sind Verdichtung, Ausstoß, Expansion und Ansaugung. Sie werden grafisch dargestellt, indem Druck und Volumen in einem so genannten P-V-Diagramm aufgetragen werden (Abbildung 3).

Abbildung 3. Ansaugung

Am Ende eines vorangegangenen Zyklus ist der Kolben bei V1 vollständig in den Zylinder zurückgezogen, dessen Volumen bei Ansaugbedingungen (Druck P1 und Temperatur T1) mit Prozessgas gefüllt ist, und die Ansaug- und Auslassventile sind alle geschlossen.

Dies wird durch Punkt 1 (Null) im P-V-Diagramm dargestellt. Wenn sich der Kolben vorwärts bewegt, verringert sich das Volumen im Zylinder. Dadurch steigen der Druck und die Temperatur des Gases an, bis der Druck im Zylinder den Druck am Auslasskopf erreicht. Zu diesem Zeitpunkt beginnen sich die Auslassventile zu öffnen, was im Diagramm durch den Punkt 2 gekennzeichnet ist.

Wenn sich die Auslassventile öffnen, bleibt der Druck für den Rest des Vorwärtshubs auf P2, da das Volumen für den Auslassabschnitt des Zyklus weiter abnimmt. Der Kolben kommt kurzzeitig bei V2 zum Stillstand, bevor er seine Richtung umkehrt.

Beachten Sie, dass ein minimales Volumen verbleibt, das so genannte Totraumvolumen. Es handelt sich um den Raum, der im Zylinder verbleibt, wenn sich der Kolben in der weitesten Position seines Weges befindet. Ein gewisses Mindestspielvolumen ist notwendig, um einen Kontakt zwischen Kolben und Kopf zu verhindern, und die Beeinflussung dieses Volumens ist ein wichtiger Leistungsparameter des Kompressors. Der Zyklus befindet sich nun an Punkt 3.

Die nächste Phase ist die Expansion, bei der das kleine Gasvolumen in der Freiraumtasche bis knapp unter den Ansaugdruck expandiert wird, was durch das Schließen der Druckventile und den Rückzug des Kolbens erleichtert wird. Dies ist Punkt 4.

Wenn P1 erreicht ist, öffnen sich die Einlassventile, so dass frische Ladung für die Einlass- und letzte Phase des Zyklus in den Zylinder gelangt. Auch hier wird der Druck konstant gehalten, während das Volumen geändert wird. Dies markiert die Rückkehr zu Punkt 1.

Das Verständnis dieses Zyklus ist der Schlüssel zur Diagnose von Verdichterproblemen und zum Verständnis der Verdichtereffizienz, des Leistungsbedarfs, des Ventilbetriebs usw. Dieses Wissen kann durch die Aufzeichnung von Prozessinformationen und die Überwachung der Auswirkungen dieser Elemente auf den Zyklus gewonnen werden.