Wirtschaftliche Druckluftanwendungen und -werkzeuge

KOMPRESSOREN/DRUCKLUFT
Druckluftanwendungen und -werkzeuge
Wirtschaftliche Druckluftanwendungen
und -werkzeuge
Prof. Dr.-Ing. Andreas P. Weiß
Vielseitige Druckluft
Druckluft als Energieträger benutzte
der Mensch bereits vor über 2000 Jahren, wie z. B. die durch Druckluft betätigten Tempeltüren des Heron (1. Jh.
n. Ch., Abb. 1) bestätigen. Wirtschaftliche Bedeutung erreichte die Druckluft
erst im 19. Jahrhundert als Druckluftwerkzeuge den Berg- und Tunnelbau
revolutionierten (Abb. 2). Hier überzeugte das Druckluftwerkzeug bereits damals durch einige wesentliche,
charakteristische Eigenschaften. Die
schlagartige Bereitstellung von Kraftbzw. Leistungsspitzen für Drucklufthämmer und -meißel, die Eignung für
den Ex-Schutz-Bereich sowie die Robustheit aufgrund des einfachen Aufbaus. Die Belüftung der Stollen mit der
Abluft des Werkzeugs, die Bewetterung, gab es „gratis“ dazu.
sorgte. Bis heute werden Rohrpostsysteme, trotz E-Mail, betrieben. Neben
Briefen und Unterlagen fördert man
mit Druckluft sehr oft auch pulverige
Stoffe wie z. B. Kaffee, Zement oder
auch Milchpulver durch Rohrleitungen.
Wird Druckluft als Förderluft verwendet, sollte nicht hoch verdichtete Luft
mit 7 oder gar 10 bar(ü) eingesetzt werden, sondern Blasluft mit 1–2 bar(ü),
die mit rund nur einem Drittel des
Energieaufwands bereitgestellt werden kann.
In der Fertigungs- bzw. Automatisierungstechnik werden Druckluft-Aktuatoren eingesetzt, die Türen öffnen,
Werkstücke greifen oder sogar beliebig gewachsene Spargelstangen vollautomatisch schälen. Handgeführte
Druckluftwerkzeuge drehen Schrauben
ein, schneiden Blech oder werden zum
Verputzen von Gussteilen eingesetzt.
Nicht wegzudenken ist die Druckluft
bei der Herstellung der PET-Flaschen,
die mittels 40 bar Druckluft in eine
Form aufgeblasen werden (Abb. 3). Hier
ist es bereits Stand der Technik, die Abluft der Blasmaschine in das StandardDruckluftnetz zurückzuspeisen und
wiederzuverwenden. Das spart sehr
viel Energie und erhöht die Wirtschaftlichkeit der Anlage signifikant!
Abb. 1: Die Tempeltüren des Heron [1]
Abb. 2: Ein Druckluftbohrer im Tunnelbau [1]
Abb. 3: Streckblasen einer PET-Flasche [2]
Als Förderluft bei der Rohrpost fand die
Druckluft ebenfalls Mitte des 19. Jahrhunderts erstmals Anwendung im Londoner Telegrafenamt. Paris hatte ab
1888 eine Druckluftzentrale, die 8000
pneumatische Uhren mit Luft ver-
Auch in der Umwelttechnik kommt die
Druckluft zum Einsatz. So wird z. B. in
Kläranlagen das Abwasser mit Druckluft „beatmet“. Im Hamburger Ölhafen kann bei einem Ölunfall Druckluft
durch perforierte Schläuche am Grund
Abb. 4: Druckluft-Ölsperre im Hamburger
Hafen [4]
des Hafens ausgeblasen werden und
so eine für das Öl undurchdringliche,
für Schiffe jedoch passierbare Barriere
schnell aktiviert werden (Abb. 4). Das
sind nur einige von unzähligen Druckluftanwendungen in Industrie und
Handwerk.
Pro und Contra Druckluftwerkzeuge
und -antriebe
Im Folgenden wird der Druckluftantrieb verglichen mit dem elektrischen
Antrieb, mit dem er oft in Konkurrenz steht. Druckluftantriebe vermeiden Funken, wie sie beim Einsatz von
elektrischem Strom immer auftreten
können und sind deshalb für den ExSchutzbereich besser geeignet. Druckluftmotoren können schadlos beliebig
oft und beliebig lange bis zum Stillstand überlastet werden, ohne dabei
„durchzubrennen“ wie ihr elektrisches
Pendant. Das Anfahren gegen Last und
auch beliebig häufiges An- und Ausschalten pro Zeiteinheit sind weitere
Pluspunkte der Druckluftmotoren. Bei
handgeführten Werkzeugen ist das
Leistungsgewicht bzw. die Baugröße
ein wichtiges Kriterium. Abbildung 5
zeigt den Vergleich dreier Winkelschleifer [3]. Der Elektroschleifer mit 2,2 kW
hat eine Masse von 5,8 kg. Der Druckluftschleifer in der Mitte mit Lamellenmotor bringt 1,8 kg auf die Waage und
leistet 1,0 kW. Der Turbinenschleifer
rechts leistet mit 2,2 kW, so viel wie die
elektrische Maschine, weist mit 1,8 kg
jedoch nur ca. 1/3 von deren Masse auf!
Des Weiteren ist der Luftverbrauch von
PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2015
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Abb. 5: Elektroschleifer, Schleifer mit Lamellenmotor, Turboschleifer [3]
Abb. 6: Drehmomentverlauf eines Druckluft- und eines Drehstrommotors [5]
Druckluftturbinen in dieser Leistungsklasse rund ein Drittel geringer als der
von Lamellenmotoren. Die Turbine hat
keine berührenden Dichtungen, die verschleißen und regelmäßig ersetzt werden müssen. Sie benötigt deshalb auch
keine „geölte“ Druckluft. Alle Eigenschaften zusammen machen die Turbine zu einer sehr effektiven und wirtschaftlichen Antriebsmaschine in der
Drucklufttechnik.
Linear-Aktuatoren mit hohen Stellgeschwindigkeiten und -kräften können mittels Druckluftzylindern sehr viel
einfacher und kostengünstiger dargestellt werden, als mit elektrischen Linearantrieben. Auch hier gibt es bereits
Zylinder auf dem Markt, die die Abluft
des Arbeitshubes für den Rückstellhub
nutzen und damit Energie einsparen.
Sind kurzzeitige Kraftspitzen wie z. B.
beim Meißeln von Stein oder beim Einschießen von Nägeln notwendig, ist
das mit schlagartig expandierender
Druckluft relativ leicht umsetzbar. Um
wie viel effektiver ein „Bohrhammer“
mit pneumatischem Schlagwerk ge144
genüber einer elektrischen Schlagbohrmaschine ist, konnte schon so mancher
Heimwerker erfreut feststellen – so
auch der Autor.
Abbildung 6 zeigt den Drehmomentverlauf über der Drehzahl für einen elektrischen Drehstrommotor
(rechts) und einen Druckluft-Lamellenmotor (links). Beide Maschinen werden herstellerseitig für eine bestimmte
Nenndrehzahl und ein bestimmtes
Nenndrehmoment ausgelegt (strichlierte Linien). Während der Elektromotor nur in einem relativ kleinen Bereich
um den Auslegungspunkt (grüne Linie)
sicher betrieben werden kann, kann
beim Druckluftantrieb (Lamellenmotor und Turbine) der gesamte Drehmoment-Drehzahl-Bereich schadlos genutzt werden. Dies ist immer dann ein
Vorteil, wenn das Lastmoment nicht sicher vorausgesagt werden kann oder
dieses im Einsatz der Maschine signifikant variiert.
Wo viel Licht ist, ist auch Schatten!
Natürlich zeigen Druckluftantriebe und
-werkzeuge einige systemimmanente
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Nachteile. Trotz ausreichend dimensionierter und damit oft sehr sperriger
Schläuche sind schon bei kurzen Transportwegen der Druckluft spürbare
Druckverluste und damit Leitungsabfall
am Werkzeug zu beklagen, der z. B. bei
einem 20 m langen Stromkabel praktisch noch nicht wahrnehmbar wäre.
Durch die Expansion der Druckluft unter Arbeitsabgabe im Werkzeug kühlt
dieses stark ab und vereist u. U. sogar.
Die kühle, ölige Abluft strömt mit hoher Geschwindigkeit aus dem Werkzeug und erzeugt Lärm, wirbelt Staub
auf. Natürlich können Abluftfilter und
-dämpfer diese Effekte mindern.
Den wesentlichen Nachteil des
Druckluftantriebs sieht der Autor jedoch bei dessen Energieeffizienz d. h.
bei den Energiekosten. Die Wirkungsgrade von Elektromotoren liegen heute
je nach Leistungs- und Güteklasse zwischen 75 % und 95 %. Druckluft-Lamellenmotoren erreichen 30 % bis 40 %,
bezieht man deren Wellenleistung
auf die mögliche Arbeitsleistung der
zugeführten Druckluft. Dies ist aber
nur ein Teil der Energiewandlungskette. Erzeugt ein Schraubenkompressor 1 Nm3/min Druckluft mit 6 bar(ü),
dann benötigt er dazu ca. 8 kW elektrischer Leistung aus dem Stromnetz.
Mit diesem Druckluftvolumenstrom
kann eine handelsübliche Druckluftbohrmaschine betrieben werden. Diese
Bohrmaschine leistet ca. 0,8 kW an der
Welle, d.h. der Nutzen ist nur 1/10 des
Aufwandes, die Effizienz ist somit 10 %.
Berücksichtigt man noch typische
Druckverluste und Leckagen in der
Zuleitung, so fällt der Wirkungsgrad
der
Energiewandlungskette
„Steckdose-Kompressor-AufbereitungVerteilung-DL-Werkzeug“ schnell auf
Werte um 5 %!
Auf was sollte man deshalb achten?
Aufgrund dieser Eigenschaften von
Druckluft als Energieträger sollten
Druckantriebe nur dort eingesetzt
werden, wo die oben beschriebenen
Vorteile gegenüber dem elektrischen
Strom zum Tragen kommen bzw. benötigt werden! Ansonsten sollte man die
Druckluft substituieren wie z. B.:
– Niederdruckanwendungen d. h. Blasluft zum Fördern, Trocknen oder Kühlen nicht aus dem 7 bar-Netz speisen,
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sondern Drehkolbengebläse oder gar
Ventilatoren einsetzen.
– Staubsauger anstatt Blaspistolen
zum Reinigen verwenden.
– Druckluftvakuumerzeugung durch
Vakuumpumpen ersetzen.
Bei der Anschaffung von neuen Druckluftmaschinen und -anlagen sollte auf
den Luftverbrauch geachtet werden
und nur Geräte gekauft werden, die 6,0
bis 6,3 bar(ü) benötigen. Oft muss wegen nur einer Maschine der Netzdruck
auf z. B. 10 bar erhöht werden, was
den Kubikmeter Druckluft energetisch
um rund 25 % verteuert und die Leckage des Netzes um ca. 50 % erhöht! Der
Luftverbrauch von Blasanwendungen
an Fließbändern kann oft reduziert
werden, wenn die Blasdüse nicht permanent durchströmt wird, sondern
nur während des Durchgangs eines
Werkstückes.
Beim Betrieb von Druckluft-Aktuatoren, -werkzeugen und -motoren
muss auf den vom Hersteller geforderten Betriebsdruck (i. A. 6,0 bis
6,3 bar(ü)) geachtet werden. Ein höherer Druck erhöht zwar die Leistung
bzw. Kraft, jedoch auch überproportional den Energieverbrauch der Anwendung. Darüber hinaus überlasten
die überhöhten Drücke die internen
Dichtungen, Führungen und Ventile,
so dass es zu erhöhtem Verschleiß
kommt. Alles in allem mindert ein zu
hoher Betriebsdruck die Wirtschaftlichkeit der Druckluftanwendung!
Zu niederer Betriebsdruck reduziert natürlich die Abgabeleistung
bzw. die Kraft, so dass die Maschine
ihre Aufgabe nur noch teilweise erfüllt. Ob die Druckluftanwendung im
Betrieb bei maximalem Luftverbrauch
im Netz tatsächlich den notwendigen
Versorgungsdruck erhält, hängt nicht
nur vom Lieferdruck der Kompressoren, sondern auch von den reibungsbedingten Druckverlusten im Verteilungsnetz ab. Aus diesem Grund sollte
mit einem Steckmanometer unmittelbar vor dem Druckluftwerkzeug bei
dessen maximalem Luftverbrauch der
so genannte Fließdruck bestimmt und
sicher gestellt werden, dass er der Herstellerangabe genügt.
Für den zuverlässigen, effektiven
und möglichst wirtschaftlichen Einsatz von Druckluftanwendungen (Motoren, Werkzeugen, Zylindern etc.)
müssen folgende Punkte beachtet
bzw. vorgesehen werden (Abb. 7):
1. Ausreichend dimensioniertes, rostfreies, verschweißtes, verklebtes oder
verpresstes Festnetz, um die Druckverluste und Leckagen dauerhaft gering zu halten.
2. Kugelhähne anstatt Sitzventile als
Absperrorgane, um wiederum Druckund Leckageverluste gering zu halten.
Die Hähne müssen zum Abriegeln
unbenutzter Leitungsteile dann auch
tatsächlich geschlossen werden!
3. Ausreichend dimensionierte Filter
und Kondensatabscheider, die regelmäßig überprüft und gewartet werden. Die Aufbereitung der Druckluft
ist für den sicheren und langen Betrieb der Maschinen unverzichtbar,
erhöht aber den Energieverbrauch
des Druckluftsystems.
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Abb. 7: Anschluss eines Druckluftwerkzeuges [7]
4. Ein Druckregler bzw. -minderer, der
die erzeugungsbedingten Druckschwankungen glättet und damit
eine konstante Leistung bzw. Kraft
der Anwendung sicherstellt. Der
Druckminderer sollte jedoch keinesfalls einen deutlich zu hohen Erzeugungsdruck ständig wegdrosseln.
5. Eine Schlauchsicherung, die bei
Schlauchbruch
die
Luftzufuhr
schließt.
6. Viele Druckluftwerkzeuge/-motoren
benötigen geölte Luft, um ihre Nennleistung zu erreichen und den Verschleiß zu begrenzen. Eine Ausnahme
bilden hier nur die Druckluftturbinen.
7. Die notwendige flexible Zuleitung
muss ausreichend dimensioniert und
möglichst kurz sein, um Leckagen und
Druckverluste zu minimieren. Unnötige lange Verbindungsleitungen zwischen Ventilen und Druckluftzylindern erhöhen das Totvolumen und
damit den Luftverbrauch und die
Stellzeiten.
8. Die benötigten Schlauchkupplungen
müssen als Sicherheitskupplungen
mit vollem Durchgang im gekuppelten Zustand ausgeführt werden.
Das reduziert den Druckverlust und
vermeidet den „Peitscheneffekt“
beim Abkuppeln. Ihre Anzahl sollte
minimiert werden.
Wirtschaftliche Druckluftanwendungen heute und in der Zukunft
tiert. Druckluftzylinder nutzen i. A., die
Expansionsarbeit der Druckluft nicht,
sondern puffen diese am Ende des Arbeitshubes mit vollem Druck aus. Hierzu gibt es Vorschläge (z. B. [8]), diese
Abluft mit Überdruck in einem zweiten
System auf geringerem Druckniveau
nochmals zu nutzen. Auch Druckluftmotoren und -werkzeuge nutzen die
Expansionsarbeit der Druckluft oft nur
zum Teil. Es gibt deshalb bereits Produkte auf dem Markt, die die Abluft
mit Überdruck in einem geschlossenen
System dem Kompressor wieder zuführen und so prinzipiell Kompressionsarbeit einsparen können.
All diese Systeme mit „Abluftnutzung“ machen das Druckluftsystem
als Ganzes natürlich aufwendiger und
komplexer, d.h. teurer in der Anschaffung und Wartung. Ein bestimmter Anteil der physikalisch möglichen Energieeinsparung wird durch die technische
Umsetzung sicher „aufgefressen“ (siehe hierzu [9]). Ob die physikalisch mögliche Energieeinsparung praktisch auch
zu einer Kosteneinsparung führt, kann
deshalb nicht im Allgemeinen beantwortet werden, sondern muss für die
einzelne Anwendung analysiert werden.
Eine Maßnahme, die die Wirtschaftlichkeit eines Druckluftsystems
signifikant steigern kann und schon
seit Jahren Stand der Technik ist, ist die
Nutzung der Kompressorenabwärme.
Moderne Schraubenkompressoren arbeiten sehr nahe an der idealen, „isothermen Verdichtung“. Dadurch fallen
bei einem Schraubenkompressor über
90% der aufgenommenen elektrischen
Leistung in Form von warmer Abluft
an. Mit dieser Warmluft können Hallen beheizt, Produkte oder Werkzeuge
getrocknet, Adsorbtionstrockner regeneriert werden oder diese Luft kann als
vorgewärmte Verbrennungsluft für Öloder Gasbrenner eingesetzt werden,
um so Primärenergie einzusparen. Aus
der Druckluftanlage wird dadurch eine
Wärmepumpe!
Fazit
Um die Energieeffizienz der Drucklufttechnik zu steigern, wird mehr und
mehr auch die Nutzung der Abluft einer
Druckluftanwendung oder die Führung der Druckluft in einem geschlossenen Kreislauf in der Fachwelt disku146
Druckluftmotoren, -Aktuatoren oder
-werkzeuge sollten nur dort eingesetzt
werden, wo ihre charakteristischen
Vorteile benötigt werden. Ansonsten
denken Sie bitte immer darüber nach,
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ob der mit der Druckluftanwendung zu
erzielende Effekt nicht auch mit einem
elektrischen oder sonstigen Antrieb
erzielt werden könnte, um u. U. Energie einzusparen. Wird die Druckluft jedoch nur dort eingesetzt, wo ihre Vorteile zum Tragen kommen und werden
die angesprochenen Maßnahmen zur
Energieeinsparung konsequent umgesetzt, so braucht die Druckluftanwendung auch wirtschaftlich nicht den
Vergleich mit anderen Energieträgern
scheuen!
Literatur
[1] Hütter J. Druckluft-Kompendium,
4. Auflage, BOGE 2004
[2] Ruppelt E. Druckluft-Handbuch, 4.
Auflage, Vulkan-Verlag 2003
[3] Weiß A.P. Pfeiffer R., Grans V., Zinn
G., Druckluftwerkzeuge: Turbo statt
Lamellenmotor, Zeitschrift Technik in
Bayern, Januar 2007, S14-15
[4] Bahr M. Druckluft schützt Gewässer, Zeitschrift KAESER-Report Nr. 1,
S10 f, KAESER Kompressoren GmbH,
2000
[5] Schwarz M. Druckluft-Antriebspraxis, Atlas Copco Tools GmbH, 1983
[6] Weiß A.P. Mit Druckluft sparsam
umgehen!, fluid Spezial Drucklufttechnik, S12 f, Beilage Zeitschrift fluid
07/08-2008
[7] Pallentin W., Stapel A.G. Volles Rohr
für mehr Produktivität, Atlas Copco
Tools Central Europe GmbH, Mai 2001
[8] Grauchel W. Energiesparende
Pneumatik, Zeitschrift „Ölhydraulik
und Pneumatik O+P“, 01-2006, S 33-39
Vereinigte Fachverlage
[9] Weiß A.P. Höhere Energieeffizienz –
Theoretische Überlegungen zu einem
idealen Druckluftsystem mit geschlossenem Kreislauf., Zeitschrift „Ölhydraulik und Pneumatik O+P“, 05-2009,
S 201-205, Vereinigte Fachverlage
Autor:
Prof. Dr.-Ing. Andreas P. Weiß
Ostbayerische Technische Hochschule
Amberg-Weiden, Prüfstand für
Druckluftantriebe und -technik
(PDLT), Amberg

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