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Vergleich Turbo-
oder Roots-Gebläse
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 Abb.1 Zwei einstufige Turboverdichter in Reihe geschaltet |
 Abb.2 Kennlinien eines Turboverdichters |
Die Höhe des Differenzdruckes ist eine Funktion der Umfangsgeschwindigkeit des Schaufelrades und der Anzahl der Stufen, die Höhe des Volumenstromes eine Funktion der Bauart. Neuero verwendet für die mobilen GSD-Typen und die Multiports hauptsächlich zwei einstufige Turboverdichter eigener Bauart, die in Reihe geschaltet sind, um den notwendigen Differenzdruck zu erzeugen (Abb1.) Im Zusammenhang mit der Entwicklung von Turboverdichtern für die Aufladung von Dieselmotoren gibt es heute aufwendig gebaute Turboverdichter auf dem Markt, die einer Stufe einen Ansaugdruck von 0,5 bar abs. liefern. Die Wirkungsgrade von gut ausgebildeten Turboverdichtern erreichen bis zu 80%.
Abb. 2 zeigt die charakteristische Kennlinie eines Turboverdichters bei unterschiedlichen Drehzahlen. Die Kennlinien verlaufen sehr flach d.h. die Turboverdichter können über einen weiten Volumenstrombereich bei ziemlich konstantem Differenzdruck eingesetzt werden. Dieser Bereich wird bei den aufwendig gebauten Turboverdichtern durch ein nachgeschaltetes Diffusorleitrad noch erweitert, so daß dort bei konstantem Differenzdruck und gleichhohem Wirkungsgrad ein Volumenstrom von 45-100% stufenlos eingestellt werden kann. Der Leistungsbedarf wächst mit zunehmendem Volumenstrom.
Roots-Verdichter bestehen im wesentlichen aus zwei synchron in einem Gehäuse umlaufenden zweiflügeligen Kolben besonderen Querschnitts, so daß zwischen den Kolben und zum Gehäuse hin für ein konstantes enges Spiel gesorgt wird.
Sie sind ventillose Verdrängermaschinen, in denen keine interne Verdichtung stattfindet. Die Luft gelangt aus dem niedrigeren Druckniveau im Ansaugstutzen in den Arbeitsraum und wird von den Flügeln der Kolben in den Beeich höheren Druckniveaus im Ausblasstutzen bewegt. Eine Verdichtung der Luft erfolgt erst dann, wenn eine Verbindung zwischen Arbeitsraum und dem höheren Druckniveau besteht. Dann strömt Luft höheren Drucks in den Arbeitsraum zurück, so daß der Kolben gegen diesen höheren Druck bewegt werden muss. Das Zurückströmen der höherverdichteten Luft verursacht das typische tieffrequente Brummen des Drehkolbenverdichters. Obwohl die Spalten zwischen den Kolben und zum Gehäuse hin sehr eng gewählt werden können (normalerweise 0,2 - 0,6mm), treten hier die sogenannten Spaltverluste auf, die mit zunehmender Druckdifferenz größer werden. Der Wirkungsgrad von Roots-Gebläsen ist niedriger als bei gut ausgebildeten Turboverdichtern und liegt bei etwa 70%.
Die Kennlinie verläuft sehr steil (Abb. 3 - Kennlinie bei verschiedenen Drehzahlen), d.h. über einen großen Differenzdruckbereich wird ein nahezu konstanter Volumenstrom geliefert, wenn man die Spaltverluste vernachlässigt.
Abb. 3 Kennlinien eines Drehkolbenverdichters
Der Volumenstrom ist abhängig von der Baugröße und der Drehzahl, die durch eine maximal zulässige Umfangsgeschwindigkeit am Kolben begrenzt wird. Will man den Volumenstrom ändern, dann muß eine andere Drehzahl am Roots-Verdichter gewählt werden. Das ist aber nur mit einem erheblichen Aufwand beim Antrieb zu erreichen. Der Leistungsbedarf steigt linear mit dem Differenzdruck an.
Wie verhalten sich nun die beiden Verdichtertypen beim Einsatz in einer Schiffslöschanlage?
Das Betriebsverhalten der Verdichter läßt sich in einfacher Weise in Verbindung mit der Anlagenkennlinie erläutern. Abb. 4 zeigt die Anlagenkennlinie bei reiner Luftförderung und bei Förderung eines Gutstromes und die für einen bestimmten Zustand gewählte Kennlinie eines Turboverdichters und eines Rootsverdichters.
Der Schnittpunkt der Anlagenkennlinie bei Materialförderung mit der Verdichterkennlinie ergibt den Betriebspunkt P0 der Anlage. Dieser Betriebspunkt muß so gewählt werden, daß die Luftgeschwindigkeit möglichst niedrig ist, um Energiekosten zu sparen, daß sie wiederum so groß ist, daß keine möglichen Verstopfungen im Förderrohr auftreten.
Was passiert nun, wenn weniger oder mehr Material gefördert wird? Der Betriebspunkt des Turboverdichters auf der Verdichterkennlinie zum Punkt P0 , dem Schnittpunkt mit der Anlagenkennlinie für reine Luftförderung. Auf Grund der flachen Turboverdichterkennlinie stellt sich ein höherer Ansaugvolumenstrom ein, der zu einem höheren Leistungsbedarf des Verdichters führt.
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Abb. 4 Kennlinien der Anlage und der Verdichter
Um diese erhöhte Leerlaufleistung zu vermeiden, baut Neuero einen sogenannten Strömungsregler (Abb. 5) ein, der dafür sorgt, daß der Ansaugvolumenstrom auch im Teillastbereich und im Leerlauf nahezu konstant bleibt, d.h. daß sich der Betriebspunkt der Anlage von P0 nach P2 bewegt.
Abb. 5 Strömungsregler
Dieser Strömungsregler besteht aus einer schräg angeströmten Klappe, die im Vollastbereich eine Stellung mit geringstem Druckabfall einnimmt. Das an der Klappe wirkende Anströmmoment wird kompensiert durch ein an einem Hebelarm angebrachtes Gegengewicht. Fällt der Materialstrom ab, will der Luft-Volumenstrom zunehmen. Dies wird aber verhindert durch ein automatisches Schrägstellen der Klappe, so daß ein erhöhter Druckabfall entsteht, der im Leerlaufbetrieb genau der Strecke P0 - P2 entspricht. Eine Steuerung der Klappe mit Hilfe des Vakuums vor dem Turboverdichter ist ebenfalls möglich.
Durch diese Regelung wird erreicht, daß der Betriebspunkt bei Vollast sowie im Teillastbereich nicht wandert, daß also der Leistungsbedarf im Teillast- und Leerlaufbereich ungefähr dem im Vollastbetrieb entspricht und daß die Luftgeschwindigkeit im Saugrüssel über den ganzen Bereich vom Leerlauf bis zur Vollast konstant bleibt.
Gegenüber dem Betrieb mit einem Roots-Gebläse wird dadurch erreicht, daß unnötiger Verschleiß am Förderrohr und eine Beschädigung von empfindlichen Fördergütern vermieden wird.
Ein weiterer Vorteil des Strömungsreglers besteht darin, daß durch eine Änderung des Gegengewichtes am Regler unterschiedliche Luftgeschwindigkeiten im Förderrohr eingestellt werden können, so daß die Sauganlage für empfindliche Güter wie Malz und Braugerste mit niedriger Luftgeschwindigkeit und, wenn es sein muß, für andere Güter mit höherer Luftgeschwindigkeit betrieben werden kann. Der Strömungsregler erlaubt es auf einfache Weise, für eine Anlage die optimale Luftgeschwindigkeit zu finden, bei der eine Förderung gerade noch möglich ist, so daß auch hinsichtlich des Energiebedarfs ein optimaler Einsatz der Anlage erreicht wird.
Im reinen Leerlaufbetrieb, wenn keine Förderung gewünscht wird, kann eine Drosselklappe zwangsweise geschlossen werden, so daß die Luftförderung bis auf einen kleinen, zur Kühlung des Verdichters benötigten Spülluftanteil verringert wird. Dadurch wird der Leistungsbedarf des Verdichters ungefähr auf eine vergleichbare Größenordnung wie beim Roots-Gebläse vermindert.
Vergleiche aus der Praxis zeigen, daß der Leitungsbedarf bei Vollast aufgrund des besseren Wirkungsgrades von Turboverdichtern bis zu 10% niedriger ist als bei Anlagen mit Roots-Gebläsen; ein Betreiber in Norddeutschland konnte durch den Austausch eines Roots-Gebläses durch einen Turboverdichter den durchschnittlichen spezifischen Leistungsbedarf (kWh/t) bei Förderung von Tapioka um 40% senken, indem mit Hilfe des Diffusorleitrades eine optimale Luftgeschwindigkeit gewählt wurde.
Der Betriebspunkt des Roots-Gebläses wandert auf der Gebläsekennlinie von P0 zum Punkt P3. Der Ansaugvolumenstrom bleibt nahezu konstant, der erforderliche Differenzdruck sinkt ab, so daß auch der notwendige Leistungsbedarf abnimmt. Dies ist im Teillastbereich durchaus vorteilhaft.
Andererseits erhöht sich durch eine wegfallende Expansion entlang des Förderrohres und durch einen verminderten Spülluftanteil im Roots-Gebläse die Geschwindigkeit im Förderrohr. Eine Luftgeschwindigkeit an der Düse von 25 m/s im Vollastanteil kann sich auf 50 m/s im Leerlauffall erhöhen, so daß es im Teillastbereich zu einem unerwünschten zusätzlichen Verschleiß im Förderrohr und zu Beschädigungen bei empfindlichen Gütern kommt. Ein weiterer Nachteil bei Betrieb mit einem Roots-Gebläse ist dadurch gegeben, daß eine nachträgliche Änderung der Fördergeschwindigkeit oder eine Anpassung der Fördergeschwindigkeit an unterschiedliche Fördergüter nicht möglich ist, es sei dann, daß ein sehr teurer Verstellantrieb zur Änderung der Gebläsedrehzahl installiert wird.
Vorteilhaft ist das Roots-Gebläse nur dann, wenn mit der Anlage nur ein bestimmtes Fördergut entladen werden soll, die Geschwindigkeit des Förderluftstromes richtig gewählt, die Anlage oft im Teillastbetrieb eingesetzt wird und die erhöhte Luftgeschwindigkeit im Teillastbereich von untergeordneter Bedeutung ist.
Zum Schluß sollen zum besseren Vergleich die Vor- und Nachteile der beiden Verdichtertypen noch einmal zusammengefaßt werden:
Vorteile:
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Der Wirkungsgrad ist bei gut ausgebildeten Turboverdichtern höher als bei Roots-Gebläsen; |
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auf Grund der Kennlinie ist die Förderluftgeschwindigkeit veränderbar; |
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im Teillastbereich bleibt die Förderluftgeschwindigkeit ziemlich konstant d.h. Verschleiß an Förderrohr und Fördergut sind geringer; |
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der Förderluftstrom ist gleichmäßig, die hochfrequenten Geräusche lassen sich mit wenig Aufwand dämpfen; |
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das Laufrad ist wenig anfällig bei Fremdkörpereinfluß d.h. aufwendige Filtereinrichtungen können vermieden werden; |
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die Temperaturempfindlichkeit ist gering. |
Nachteile:
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Ein Turboverdichter läuft langsamer als ein Roots-Gebläse; |
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der Teillastenergiebedarf ist höher als beim Roots-Gebläse. |
Vorteile:
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Ein Roots-Gebläse erreicht schnell die volle Drehzahl; |
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der Leistungsbedarf im Teillastbereich ist geringer. |
Nachteile:
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Im Teillastbereich ist die Fördergeschwindigkeit höher, d.h. erhöhter Verschleiß am Förderrohr und am Fördergut; |
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eine einmal gewählte Fördergeschwindigkeit kann nur mit großem Aufwand geändert werden; |
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wegen der niederfrequenten Geräusche (pulsierender Förderluftstrom) ist eine aufwendige Geräuschdämpfung notwendig; |
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damit die Betriebsdrücke nicht überschritten werden, ist eine Überwachungseinrichtung erforderlich; |
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wegen des engen Kolbenspiels ist das Roots-Gebläse fremdkörperempfindlich, d.h. eine Filterabreinigung der Förderluft ist notwendig; |
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nach längerem Einsatz wird das Kolbenspiel aufgrund des Verschleißes größer und führt zu Leistungsverlusten. |
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NEUERO Industrietechnik: neuero@neuero.de |
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