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Verdichter,

 

Arbeitsmaschine zur Verdichtung und Förderung gasförmiger Medien von einem niederen Anfangsdruck (Ansaugedruck) auf einen höheren Enddruck. Anfangs- und Enddruck können gegenüber dem Luftdruck der Umgebung (Atmosphärendruck) im Unterdruckgebiet und im Überdruckgebiet liegen. Bei Luftförderung ist gewöhnlich der Atmosphärendruck der Ansaugedruck (Drucklufterzeugung) oder der Enddruck (Vakuumerzeugung).

 

Verdichter können als Verdrängermaschinen (Hubkolbenverdichter, Drehkolbenverdichter), Strömungsmaschinen (Turboverdichter) oder Strahlapparate (Strahlpumpen) arbeiten. Das Verhältnis von absolutem Enddruck und absolutem Ansaugedruck wird als Druckverhältnis bezeichnet. Druckverhältnis, Gasart und Ansaugevolumenstrom sind weitgehend für die Wahl der Bauart und die Konstruktion des Verdichters maßgebend. Dabei ist wie bei Pumpen und bei Kraftmaschinen die Verdrängermaschine besser für große Druckverhältnisse und kleine Volumenströme, die Strömungsmaschine besser für kleine Druckverhältnisse und große Volumenströme geeignet. Je nach Druckverhältnis, Bauart und Anwendungsgebiet werden häufig auch andere Bezeichnungen verwendet: Bei Druckverhältnissen unter 1,1 (v. a. wenn keine merkliche Verdichtung, sondern nur eine Luftbewegung bewirkt werden soll) spricht man von Ventilatoren, bei Druckverhältnissen bis etwa 3 von Gebläsen; Gebläse zur Luftabsaugung werden oft Lüfter genannt (z. B. Grubenlüfter für Bergwerke). Bei sehr hohen Druckverhältnissen wird häufig die Bezeichnung Kompressor benutzt. Geräte zur Vakuumerzeugung werden auch als »Pumpen« bezeichnet (Vakuumpumpe). Auch die Luftpumpe und der Blasebalg sind Verdichter.

 

Bei mittleren und hohen Druckverhältnissen muss die Verdichtung auf mehrere Verdichterstufen aufgeteilt werden. Bei sehr hohen Druckverhältnissen werden manchmal (besonders zur Vakuumerzeugung) Maschinen mit verschiedenen Wirkungsweisen hintereinander geschaltet, sodass jede in ihrem günstigen Bereich arbeiten kann (z. B. Vorverdichtung eines großen Ansaugevolumenstroms durch einen Turboverdichter, weitere Verdichtung des dann kleineren Volumenstroms durch einen Verdrängungsverdichter). Wegen der mit der Verdichtung verbundenen Temperaturerhöhung und zur Arbeitsersparnis ist bei hohen Druckverhältnissen gewöhnlich Kühlung erforderlich. Innere Kühlung kann durch Kühlung der Wände der Arbeitsräume mit Kühlwasser oder Kühlluft bewirkt werden, bei Verdrängermaschinen auch durch Einspritzung von kalter Flüssigkeit (Wasser, Öl). Bei der Außenkühlung wird das Gas zwischen jeweils zwei Stufen oder Stufengruppen durch außerhalb des Verdichters befindlicher Zwischenkühler geführt.

 

Verdrängungsverdichter:

 

Bei den nach dem Verdrängungsprinzip arbeitenden Verdichtern wird das Fördermittel durch Raumvergrößerung angesaugt, durch Raumverkleinerung verdichtet und anschließend aus dem Arbeitsraum verdrängt. Das je Stufe erreichbare Druckverhältnis hängt ab vom Verhältnis der Volumina des Arbeitsraums bei Verdichtungsbeginn und -ende, ferner vom Fördermedium und der Kühlung.

 

Beim Hubkolbenverdichter (auch Kolbenkompressor genannt) besteht der einzelne Arbeitsraum aus einem Zylinder mit einem - meist durch einen Kurbeltrieb - geradlinig hin- und herbewegten Kolben. Wirkungsgrad, aber auch Baugröße und Gewicht sinken mit wachsender Drehzahl. Die Wirkungsgrade langsam laufender großer Hubkolbenverdichter werden von keiner anderen Verdichterbauart erreicht. Durch selbststeuernde Ventile passt sich der Verdichtungsenddruck automatisch dem Gegendruck an. Die Förderung erfolgt pulsierend. Hubkolbenverdichter sind als kleine und mittlere Verdichter (z. B. für Tankstellen, fahrbar für Baustellen) weit verbreitet, einstufig für Druckverhältnisse bis 5, zweistufig bis 16, sowie als stationäre Anlagen mit Liefermengen bis 30 000 m³/h. Mit Hubkolbenverdichtern können Höchstdrücke bis 2 500 bar erreicht werden. Sonderbauarten ohne Kurbeltrieb sind der Freiflugkolbenverdichter, bei dem der Verdichterkolben starr mit einem Brennkraft- oder Dampfmaschinenkolben verbunden ist, und der Elektro-Schwing-Verdichter, bei dem die Kolbenstange direkt durch ein Magnetfeld hin- und herbewegt wird.

 

Beim Drehkolbenverdichter (Rotationsverdichter) werden die zum Ansaugen und Verdichten dienenden Arbeitsräume durch ein Gehäuse und einen oder mehrere darin rotierende Drehkolben gebildet. Kurbeltrieb und Ventile entfallen. Dadurch sind hohe Drehzahlen und kompakte Bauweise möglich. Einlass- und Verdichtungsende sind jeweils durch feste Steuerkanten begrenzt, wodurch der Verdichtungsenddruck festgelegt ist. Bei davon abweichendem Gegendruck entstehen Verluste. Nachteilig sind die Leckverluste infolge des betriebsnotwendigen Spiels zwischen Gehäuse und Drehkolben. - Die zweiwelligen Root- und Kapselgebläse arbeiten ohne innere Verdichtung, d. h., die Arbeitsräume ändern zwischen Ein- und Auslass nicht ihr Volumen. Das Gas wird erst nach Erreichen der druckseitigen Steuerkante durch Rückströmen aus der Druckleitung verdichtet. Der Wirkungsgrad sinkt rasch mit wachsendem Druckverhältnis. Sie werden bevorzugt zur Grobvakuumerzeugung eingesetzt, das Root-Gebläse u. a. Drehkolbenverdichter auch als mechanisch angetriebene Lader (oft Kompressor genannt) für Kraftwagenmotoren.

 

Der zweiwellige Schraubenverdichter hat zwei schraubenförmige Rotoren, bei deren Drehung sich axial wandernde, zwischen den Schraubengängen und dem Gehäuse abgeschlossene Arbeitsräume bilden, deren Volumen stetig abnimmt. Die Förderung erfolgt kontinuierlich. Zur Abdichtung und inneren Kühlung wird meist Öl eingespritzt (dann sind Ölabscheider erforderlich). Schraubenverdichter konkurrieren mit Kolbenverdichtern bei fahrbaren und mittelgroßen stationären Verdichteranlagen (Druckverhältnis zweistufig bis 22). - Einwellige Drehkolbenverdichter mit innerer Verdichtung sind die Vielzellenverdichter, die Flüssigkeitsringverdichter (Vakuumerzeugung, Verdichtung aggressiver oder explosiver Gase) und die Dreh- und Sperrschieberpumpen. In zweiwelligen Drehkolbenverdichtern ohne Öleinspritzung sind die Drehkolben berührungsfrei geführt; sie eignen sich deshalb zur Erzeugung ölfreier Druckluft.

 

Strömungsverdichter:

 

Bei den zu den Strömungsmaschinen zählenden Turboverdichtern (Kreiselverdichter) wird in einem kontinuierlichen Gasstrom Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie umgesetzt. Hohe Drehzahlen (bis 20 000 min^-1) sind üblich, das spezifische Bauvolumen ist erheblich kleiner als das von Hubkolbenverdichtern. Die Wahl der Bauart hängt ab von Fördermedium und -menge, dem Druckverhältnis und der gewünschten Liefercharakteristik bei wechselnden Gegendrücken und Drehzahlen. Nach der Hauptströmungsrichtung des Gases im Laufrad unterscheidet man die achsparallel durchströmten Axialverdichter und die radial durchströmten Radialverdichter. Das Stufendruckverhältnis bei Luftförderung beträgt bei Axialverdichtern etwa 2, bei Radialverdichtern bis etwa 4. Die Beschaufelung wird so konstruiert, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Fördermediums unter der Schallgeschwindigkeit bleibt.

 

Turboverdichter werden als einstufige Gebläse oder Lüfter unterschiedlicher Größe (z. B. zur Kühlung von Diaprojektoren, Winderzeugung in Hochöfen) und mehrstufig bis zu größten Gasmengen (Axialverdichter bis 700 000 m³/h) in der Stahlindustrie und Verfahrenstechnik, zum Erdgastransport, für Flugtriebwerke sowie als Abgasturbolader u. Ä. bei unterschiedlichen Enddrücken eingesetzt. Der Wirkungsgrad steigt mit der Liefermenge, bleibt aber unter dem guter Hubkolbenverdichter.

 

Strahlverdichter:

 

Nach dem Prinzip der Strahlpumpe (Treibmittelpumpe) reißt ein mit hoher Geschwindigkeit aus einer Düse austretender Treibmittelstrahl (Gas, Dampf oder Flüssigkeit) das ihn umgebende Gas mit und überträgt ihm dadurch Geschwindigkeitsenergie. In einem anschließenden Diffusor wird die Geschwindigkeitsenergie durch Verzögerung in Druckenergie umgewandelt.

 

Literatur:

 

V., hg. v. G. Vetter (1990);

 H.-D. Haage: Maschinenkunde. Kraft- u. Arbeitsmaschinen (⁷1992);

 K.-H. Küttner: Kolben-V. (1992).