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Die Druckluftqualität bestimmt nicht allein der Kompressorhersteller. Nur der Betreiber kennt genau seinen Anwendungsfall und er allein weiß, welche Anforderungen sein zu fertigendes Produkt an die Qualität der Druckluft stellt. So wählt der Anwender zusammen mit dem Kompressorhersteller die für seinen Bedarf optimale Verdichterbauart und die komplette Druckluftstation in Abhängigkeit von der benötigten Druckluftqualität. Im zweiten Teil unserer Serie „Wirtschaftliche Druckluftversorgung“ geht es deshalb um die Frage, ob die Druckluft direkt ölfrei oder ölgeschmiert erzeugt und später durch Aufbereitung entölt werden soll?
 
Die Qualität der Druckluft wird zum einen bereits beeinflußt durch Verunreinigungen, die der Kompressor aus der Atmosphäre mit der zu verdichtenden Luft ansaugt und zum anderen durch Verunreinigungen, die im System selbst entstehen. Das sind Ölanteile vor ölgeschmierten oder ölgekühlten Kompressoren. Die Verunreinigungen der angesaugten Luft kann man durch den Standort des Kompressors beeinflussen; Verunreinigungen aus dem Kompressor kann man beeinflussen durch die Wahl des entsprechenden Verdichtersystems.
 
Verunreinigungen

Unsere Umgebungsluft enthält außer Stickstoff und Sauerstoff weitere Verunreinigungen und Feuchtigkeit in Form von Wassernebel (Aerosole) oder Wasserdampf (relative Luftfeuchtigkeit). In der Umgebungsluft treten je nach Standort unterschiedliche, mit dem bloßen Auge nicht sichtbare Verunreinigungen auf. Sie können die zuverlässige Funktion der Druckluftverbraucher beeinträchtigen und darüber hinaus die Qualität der Produkte mindern. Zum Beispiel enthält 1 m³ angesaugte Luft bis zu 180 Mio. Schmutzpartikel, weiterhin 50 bis 80 % Wasserdampf sowie Öl in Form von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in einer Größenordnung zwischen 0,01 und 0,03 mg/m³. Bei der Verdichtung der Luft auf 10 bar erhöht sich die Konzentration der angesaugten Schadstoffe dann auf das 11fache. In 1 m³ Druckluft befinden sich somit bis zu 2 Milliarden Schmutzpartikel.

Ölgeschmierte Verdichtung

Bei ölgeschmierten Kolbenkompressoren dient das Öl zum Aufbau eines feinen Schmierfilms auf den Zylinderwandungen. Die Kolbenringe gleiten auf dem Film praktisch an den Zylinder. Dabei kommen, abhängig von der Qualität der Zylinderbearbeitung, mehr oder weniger Ölanteile in den Druckraum und somit in die Druckluft. Apropos Qualität der Zylinderbearbeitung. Die Feinstbearbeitung der Zylinderlaufbahnen durch ein dreistufiges Plateau-Honverfahren garantiert Rauhtiefen von 2 bis 8 µm. Das bedeutet eine definiert geringe Schmierölmenge im Zylinder und dadurch einen äußerst geringen Restölgehalt von nur 0,05 g/kWh. Bei entsprechend grober, einfacher und somit preisgünstiger Bearbeitung der Zylinder liegt der Restölgehalt der Druckluft um ein Vielfaches höher.

Bei ölgekühlten Schraubenkompressoren dient das Öl
• zum Abführen der Verdichtungswärme
• zum Dichten der Läufer gegeneinander und gegen das Gehäuse
• zum Schmieren der Lager und Aufbau eines Schmierfilms zwischen den Läufern.
Das Öl wird anschließend aus dem Druckluft/Ölgemisch so weit separiert, daß nur noch ca. 1 bis 3 mg/m³ als Aerosole (Flüssigphase) in der Druckluft verbleiben. Bei keinen besonderen Qualitätsanforderungen ist es selbstverständlich, daß die ölgeschmierte Verdichtung unbestrittene Vorteile hat. Abhängig von den Qualitätsklassen 1 bis 6 nach DIN ISO 8573-1 (Tabelle 1) sorgt die Druckluftfilterung und/oder -trocknung für die gewünschte Druckluft, abgestimmt auf den Anwendungsfall. Dabei gilt der Grundsatz: „Nur soviel Aufbereitung wie nötig und nicht soviel Aufbereitung wie möglich“.

Ölfreie Verdichtung

Bei ölfrei verdichtenden Kompressoren gelangen keine Verunreinigungen aus dem Verdichter in die Druckluft. Die Druckräume sind absolut ölfrei. Lediglich mit der zu verdichtenden Luft können von außen Verschmutzungen mit angesaugt werden. Wie stark die Verunreinigungen sind, hängt hierbei vom Standort des Kompressors ab. So sollte man den Kompressor nicht gerade dort installieren, wo Autoabgase die Umgebungsluft verunreinigen. Wasserdampf (relative Luftfeuchtigkeit) dagegen ist immer in der Druckluft – im Sommer mehr als im Winter – egal, ob sie ölfrei oder ölgeschmiert verdichtet wird.
Das Produkt aus den angesaugten Verunreinigungen der Atmosphäre und der Feuchtigkeit sowie den Verunreinigungen durch das Verdichtersystem selbst, muß entsprechend der jeweiligen Anwendung bis zur absolut trockenen, ölfreien und sterilen Druckluft wieder aus der Druckluft entfernt werden. Es fällt zum Teil in der Druckluftstation als Kondensat aus, das je nach Konzentration der Bestandteile ölig, schmierig und/oder aggressiv ist. Bei hohen Qualitätsanforderungen an die Druckluft stellt sich für den Betreiber immer die Frage: „Soll die Druckluft direkt ölfrei verdichtet werden, oder ölgeschmiert mit nachträglicher Aufbereitung und wie soll das Kondensat entsorgt werden?“ Wichtig und vorrangig ist immer der Anwendungsfall der Druckluft zu sehen.
Ölfreie Verdichtung bietet sich an, wenn:
• Ölanteile in der Druckluft absolut nicht zulässig sind
• keine Möglichkeiten der Ölkontrolle oder des Ölwechsels bestehen
• ölhaltiges Kondensat nicht aufbereitet werden kann
• Kosten und Folgekosten für zusätzliche Druckluftaufbereitung gespart werden sollen.

Aufgabenstellung

Anhand eines Beispiels werden die Anschaffungskosten und die Wirtschaftlichkeit beider Verdichtersysteme untersucht und verglichen. Bei der Vorgabe sind Anforderungen an die Qualität der Druckluft zugrunde gelegt, die für einen normalen Betrieb in Bau- und Möbelschreinereien üblich sind.
So soll Druckluft mit einem Reinheitsgrad nach DIN ISO 8573-1 bereitgestellt werden.
 
Dies sind im einzelnen:
• bezogen auf Öl die Klasse 1 mit einem max. Ölgehalt von 0,01 mg/m³
• bezogen auf Staub ebenfalls die Klasse 1 mit einer max. Teilchengröße von 0,1 µm fester Verunreinigungen und einer max. Teilchendichte 0,1 mg/m³ fester Verunreinigungen
• bezogen auf Wasser die Klasse 4 mit einem max. Drucktaupunkt +3°C
Ölfrei verdichtender Kompressor mit nachgeschaltetem Kälte-Drucklufttrockner
Bei ölfrei verdichtenden Kompressoren werden der verdichteten Luft im System keine Verunreinigungen (Öl) zugeführt, so daß bei einwandfreiem Kompressorstandort auch keine Druckluftfilterung notwendig ist. Gleiches gilt für die Verunreinigung durch Staub und so ist bei einwandfreiem Kompressorstandort keine Staubfilterung notwendig. Damit erfüllt dieses System die Anforderungen bezüglich Öl und Staub, d. h. jeweils die Klasse 1.
Der nachgeschaltete Kälte-Drucklufttrockner garantiert den bei der Aufgabenstellung gewünschten Drucktaupunkt von +3°C. Er scheidet so viel Kondensat aus der Druckluft aus, daß bei einer eventuellen späteren Abkühlung bis +3°C im Druckluft-Leitungsnetz kein weiteres Kondensat ausfällt. Somit wird die Klasse 4 – bezogen auf Wasser nach DIN – erreicht. Kondensat könnte aber im Winter bei Rohrleitungen, die im Freien verlegt sind, ausfallen. Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes scheidet wieder Kondensat aus, das aber sofort gefriert.
Fazit: Der ölfrei verdichtende Kompressor mit Kälte-Drucklufttrockner und nachgeschaltetem Filter erfüllt alle Voraussetzungen der Aufgabenstellung.

Ölgeschmierter Kompressor mit Druckluftaufbereitung

Der verdichteten Luft werden im System Verunreinigungen zugeführt, die Ölanteile von mehr als 0,01 mg/m³ enthalten. Hinzu kommen eventuelle aus der Umgebung mit angesaugte Kohlenwasserstoffe und Verunreinigungen, so daß eine nachgeschaltete Druckluftfilterung notwendig ist. Ein Druckluft-Tiefenfilter scheidet Öl und Schmutz aus der Druckluft bis zu 0,01 mg/m³ aus, so daß die Klasse 1 für Öl erreicht wird.
Ein Papierfilter auf der Saugseite des Kompressors reinigt die angesaugte Luft bereits von festen Verunreinigungen – so werden zu knapp 100 % alle Teilchen zurückgehalten, die größer als 2 µm sind.
Der für die Ölabscheidung eingesetzte Tiefenfilter mit einer Abscheideleistung von 99,9999 % – bezogen auf 0,01 µm – scheidet neben den Ölverunreinigungen die Staubanteile aus der Druckluft aus. So wird Klasse 1 für Staub mit einer max. Teilchengröße mit 0,1 µm fester Verunreinigungen und einer max. Teilchendichte von 0,1 mg/m³ fester Verunreinigungen gewährleistet.
Der Wassergehalt der Druckluft ist bei ölfreier und ölgeschmierter Verdichtung gleich, so daß auch die Drucklufttrocknung vergleichbar ist.

Kondensatentsorgung

Das anfallende Kondensat bei ölgeschmierter Verdichtung darf nach § 7a des Wasserhaushaltsgesetzes nicht direkt ohne Aufbereitung in die Kanalisation eingeleitet werden, da es mehr als 20 mg Öl/l Abwasser enthält.
Das Kondensat besteht zu 99 % aus Wasser und zu 1 % aus Öl. Es lohnt sich also, das Kondensat vor Ort in Öl und Wasser zu trennen. Das Wasser kann dann in die Kanalisation eingeleitet werden, das Öl ist durch Fachfirmen zu entsorgen. Das ist preisgünstiger, als das komplette Kondensat entsorgen zu lassen.
Fazit: Beide Verdichtersysteme erfüllen die Vorgaben der Aufgabenstellung und sind somit für den Einsatz in Bau- und Möbeltischlereien einsetzbar.

Anschaffungskosten
• Die Anschaffungskosten beider Kompressoren sind gegenüberzustellen. In der Regel liegen die Anschaffungskosten der ölfrei verdichtenden Kompressoren über denen der ölgeschmierten. Bei ölfreier Verdichtung ist ein verzinkter Druckluftbehälter in die Kalkulation einzubeziehen, da das aggressive Kondensat die von innen rohen Behälterwände angreifen kann.
• Bei der ölgeschmierten Verdichtung fallen gegenüber der ölfreien, zusätzliche Anschaffungskosten für den Druckluft-Tiefenfilter (Microfilter) vor dem Kälte-Drucklufttrockner an.
• Besteht keine Möglichkeit der Kondensatentsorgung, dann ist bei der ölgeschmierten Verdichtung ein Öl-Wasser-Trenner oder die Kondensatentsorgung durch entsprechende Fachunternehmen vorzusehen.
Wirtschaftlichkeit
• Abhängig vom Verdichtersystem ist der spezifische Leistungsbedarf (KW/m³/min) zu vergleichen. Er sagt aus, wieviel Energie der Kompressor benötigt, um einen m³ Druckluft in einer Minute zu erzeugen.
• Bei der ölgeschmierten Verdichtung müssen die Filterpatronen des Microfilters bei Verschmutzung ausgewechselt werden; spätestens bei einem Differenzdruck von ca. 0,7 bar bzw. nach einer Betriebszeit von einem Jahr.
• Der Kompressor muß um den Differenzdruck des Microfilters höher verdichten, um den gewünschten Betriebsdruck zu erzeugen. Hierbei fällt zusätzliche Verdichtungsenergie an; denn eine höhere Verdichtung um 1 bar, bedeutet einen Energiemehraufwand von ca. 6 %.
• Der Filter des Öl-Wasser-Trenners ist dann zu wechseln, wenn beim Vergleich mit einer Referenztrübung das Kondensat als ölhaltig erkannt wird.
Schlußbetrachtung
Bei hohen Qualitätsanforderungen ist durchaus die Überlegung wichtig, die Druckluft ölfrei oder ölgeschmiert mit Aufbereitung zu erzeugen. Dabei wird häufig vergessen, daß auch bei ölfreier Verdichtung angesaugte Verunreinigungen in der Druckluft enthalten sein können, die ausgefiltert werden müssen.
Die vorher getroffenen Überlegungen sind nicht anzustellen, wenn der Produktionsprozeß absolut keine, auch nicht die geringsten, Öldampfanteile in der Druckluft zuläßt. Dann fällt die Entscheidung eindeutig für die ölfreie Verdichtung.
 
Quelle: BM-Online Konradin Verlag

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