PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2024

Leitartikel Schwingungen

Leitartikel Schwingungen und Druckstöße aber auch Kavitation sind die Karies für Pumpen und auch andere Anlagenelemente. Die richtige Auswahl einer Pumpe hinsichtlich Nachhaltigkeit und Lebensdauer ist also eine Schlüsselaufgabe. Ein Druckstoß durchläuft eine Anlage mit Schallgeschwindigkeit (bei Wasser 1480 m/s) und wirkt in Rohren in alle Richtungen. Er hat eine große Kraft und greift nicht selten Sensoren an, dehnt Rohrleitungen oder deformiert Flächen. Dies führt oft zu kleinen Relativbewegungen zwischen Bauteilen, die an der Struktur nagen können. Auch alle anderen Pumpen, einschließlich Kreiselpumpen, pulsieren, dies kann durchaus unter manchen Bedingungen heftig ausfallen, wird aber meist toleriert. Wollen wir die Haltbarkeit von Pumpen verbessern, müssen wir Schwingungen und Stöße optimal dämpfen und natürlich Kavitation vermeiden. Solche Dämpfer gibt es leider noch nicht, daher ist dies eine ingenieurstechnische Herausforderung. Bei Kompressoren hängt der Wirkungsgrad stark von der Kühlung während des gesamten Verdichtungsprozesses ab. Wenn zusätzlich Reibung durch Dichtungen vorhanden ist, entsteht eine polytrope Verdichtung, bei der das Gas über die Kompressionserwärmung hinaus zusätzlich erhitzt wird. Je heißer das Gas, desto mehr Energie wird für die Förderung benötigt. Auch die Erwärmung des Gases beim Ansaugen in den Arbeitsraum mit heißen Wänden ist störend, da dadurch weniger angesaugt wird. Im Vergleich zur isothermen Kompression, bei der im Arbeitsraum, am besten mit Flüssigkeit gekühlt werden muss, benötigt die polytrope Kompression mindestens doppelt so viel Energie. Die Auswahl der richtigen Kühlung oder eine perfekte Abtrennung von Kühlmitteltröpfchen aus dem internen Kühlmittel, sind daher die wichtigsten ingenieurstechnischen Herausforderungen bei Kompressoren. Je nach Gastyp können auch große Leckagen auftreten. Je kleinmolekularer ein Gas ist, desto mehr. Beispielsweise ist der Wasserstoff heute viel diskutiert, schmiert aber extrem schlecht und wird bei der Entspannung am Saughubbeginn wärmer, statt kälter. Besonders hier empfiehlt sich eine Flüssigkeitsdichtung, erfordert aber natürlich eine Gasreinigung auf der Druckseite. Angesichts des Energieverlusts durch Wärme und Leckage im Bereich von Faktor zwei dürfte sich eine Gasreinigung auf der Druckseite schnell amortisieren. Hinzu kommt, dass der Energiebedarf für einen Zieldruck steigt, je niedriger der reale Saugdruck ist. Der Druckverlust sollte auf der Saugseite daher extrem minimiert werden. Dasselbe gilt für die Reibung der Dichtungen. Die Fläche unter den Kurven und Linien in Abb. 2 ist die notwendige Kompresssionsenergie. Abb. 2: Kompressionsarten bei Kompressoren: d1 isotherm; d2 polytrop, adiabat mit effizienter Kühlung; d3 adiabat oder isentrop; d4 polytrop mit zusätzlichem Wärmeeintrag z. B. von der Dichtungsreibung. Bei Kompressoren hängt der Wirkungsgrad von den folgenden Faktoren ab: 1) Ohne wirksamen Kühleffekt entsteht eine adiabate Verdichtung. Falls dann noch eine relativ große Dichtungsreibung am Kolben hinzukommt, haben wir eine polytrope Kompression. Im Vergleich zur isothermen Verdichtung ist der Energieverbrauch 150 % höher. Je heißer das Gas am Ende der Förderung, desto mehr Förderenergie. 2) Ebenfalls störend ist die Gaserwärmung beim Ansaugen, durch die Kompressionserwärmung entstehen heiße Wände im Arbeitsraum. Das angesaugte Gas wird beim Einsaugen erwärmt und dehnt sich aus. Dadurch wird deutlich weniger angesaugt. 3) Jeder Kolbenkompressor klassischer Bauart hat einen Schadraum. Dies ist der beim oberen Totpunkt verbleibende Raum, der beim Ansaughub erst entspannt werden muss, bevor das eigentliche Ansaugen beginnen kann. Beim Fördern von Wasserstoff wird dieser beim Entspannen zusätzlich warm. 4) Das Ansaugen mit Druckverlust bewirkt, dass der Ansaugdruck niedriger ist als der statische Ansaugdruck. Das ist in der Regel nicht viel, aber es wirkt sich trotzdem negativ aus, da die Kompression beginnend bei niedrigerem Druck die meiste Energie pro Druckstufe verbraucht. 5) Auch auf der Druckseite entsteht ein Druckverlust, dieser findet aber im oberen Druckbereich statt und ist daher der kleinste Verlust in dieser Liste. 6) Leckage am Kolben: Je nach Gastyp und dessen Schmiereigenschaften erleidet die Dichtung merklichen Verschleiß und damit auch merklichen Leckstrom. Bei Wasserstoff sind beide besonders hoch, da dieser nicht schmiert. Daher ist hier auch viel Forschungsarbeit im Gange. 7) Bei Kompressorventilen ist bei schlecht schmierenden Gasen (z. B. Wasserstoff) zu erwarten, dass beim Schließen der Ventile bis zur finalen Endlage bereits im Kontakt 12 PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2024

Leitartikel Gleitbewegungen stattfinden, die zu Verschleiß führen können. Die funktionell beste Lösung ist ein Flüssigkolben oder eine Flüssigschicht vor dem metallischen Kolben (Kolben arbeitet aufwärts). Damit kann man den Schadraum auf null bringen, die Leckage ist aufgrund der Sperrwirkung der Flüssigkeit ebenfalls gleich null, die Kolbendichtung ist geschmiert, was die Wartungs zyklen ausdehnen kann und bei richtiger Auslegung kann eine nahezu isotherme Kompression erreicht werden. Die Kühlung mit Flüssigkeit bedeutet, die dabei entstehenden Tröpfchen erfordern Filtertechnik auf der Druckseite. Wenn man aber bedenkt, dass der Energieverlust durch Wärme und Leckage im Bereich von mehr als Faktor zwei zur isothermen Kompression liegt und der Antriebsmotor die doppelte Leistung aufweist, also näherungsweise mindestens 50 % mehr kostet, dann dürfte sich eine Gasreinigung auf der Druckseite schnell amortisieren, ja ggf. preiswerter sein als ein Jahr Energieverschwendung und Leckage. Chemische und biologische Produktionsanlagen Je kleiner die Anlage bei gleichem Stoffumsatz ist, desto geringer ist der Reibungsdruckverlust. Dies sollte bei der Planung von Anlagen berücksichtigt werden. Es gab bereits Versuche in diese Richtung, die jedoch in der Standardisierung stecken geblieben sind und keinen Durchbruch erzielen konnten. Möglicherweise müssen wir den Anlagenbau neu überdenken. Ein Beispiel, das intensiv diskutiert wurde, sind Gleise um eine chemische Anlage, auf der Tankwaggons z. B. von A nach B usw. geschleppt werden, um betankt oder entleert zu werden oder um Material und Waren zu transportieren. Dies würde durchaus neue Chancen eröffnen, denn es würde keine Tanks mehr in der Anlage geben, bestenfalls Reaktoren, sofern sie nicht auf einen Waggon verlagert werden können. Die Anlage würde dann nur noch auf eine Rohrleitungsstruktur reduziert. Aber es könnte auch eine räumliche Entkopplung bedeuten, die Funktionspools erlauben könnte und die Lagerung auf beweglichen Tanks. Auch würde es mit Sicherheit weniger Rohrbögen bedeuten. Für die, die es geben muss, gab es letztlich Entwicklungen, die den zusätzlichen Verlust in Rohrbögen nahezu halbierte. Wenn die eigentliche Anlage nur noch aus Rohrstrukturen besteht, sind energiezerstörende Querschnitts-veränderung kaum mehr nötig und könnte weniger Rohrmeter bedeuten. Hinzu kommt, dass viele Systeme auf Druck gebracht werden müssen, wobei der Druck meist ohne Nutzung abgelassen wird. Eine Energierückgewinnung durch Entspannungsmaschinen könnte sich relativ schnell amortisieren. Allgemeine Regeln: 1) Jede Reibung verbraucht Energie, daher sind optimale Schmierung und Werkstoffe mit Gleiteigenschaften oder Druckschmierung wichtig. 2) Eine laute Maschine verbraucht mehr Energie als eine leise laufende Maschine. Lautstärke kann auch auf Verschleiß hinweisen. 3) Wärmeverspannung durch ungleichmäßige Wärmedehnung kann zu Verschleißschäden oder lauten Maschinengeräuschen führen. Wenn eine Maschine nach dem Hochfahren lauter wird, kann dies ein Hinweis auf solche Effekte sein. 4) Schwingungen in einem Rohrstück können auf kleine Druckstöße oder Schwingungen hinweisen, die energetisch die Eigenfrequenz des Rohrstücks treffen. Dies deutet auf Schwingungen im System hin und erhöht die Schadenswahrscheinlichkeit. 5) Kavitation ist laut, wenn die Blasen an den Wänden implodieren und sie ist meist leise, wenn die Blasen im Flüssigkeitsraum implodieren. Letztere sind in der Regel nicht schädlich. Es gibt jedoch auch Kavitation, die kaum hörbar ist und dennoch Schäden verursachen kann. Hier sind Erfahrung und ein Lernprozess erforderlich. Referenz [Hieninger] Energy Efficiency (2021) 14:23 https://doi.org/10.1007/s12053- 021-09932-5 Autor: Prof. Dr.-Ing. Eberhard Schlücker, Prof. i.R., Berater in Wasserstoff- und Energiefragen Wir bringen die Füllung in den Strudel! MEHR INFOS! Die hygienischen WANGEN PUMPEN fördern mediumsspezifisch, produktschonend & zuverlässig.