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Kugelkompressor spart Energie

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07.10.2008 Spätestens seit der Erfindung des Rades weiß man um die Effektivität einer drehenden Bewegung. Ebenfalls zum Allgemeinwissen gehört die Erkenntnis, dass in einer Kugelform das größte Volumen in der kleinsten Bauweise untergebracht werden kann. Diese beiden Prinzipien bilden die Grundlage des Hüttlin-Kugelmotors (HKM). Die physikalisch-technischen Argumente für den HKM behalten ebenso ihre Gültigkeit für dessen Bauart als Hüttlin-Kugelkompressor (HKK).

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Entscheider-Facts Für Betreiber



  • Der Hüttlin-Kugelkompressor (HKK), basierend auf dem Kugelmotor, ist die erfolgreiche Vereinigung der Drehbewegung eines herkömmlichen Schraubenverdichters mit der Effizienz eines leistungsoptimierten Hub-Kolbenkompressors.
  • Die Bauart des HKK, ohne die Ventile und Ventilplatten eines üblichen Kolbenverdichters ermöglicht die Gestaltung der Entlüftung über ein Ausblasventil wie bei Schraubenverdichtern, aber ohne Nachlaufzeiten, d.h. energiesparender und effizienter.
  • Die Last-Leerlauf-Charakteristik des Kompressors ist vergleichbar mit einem atmosphärisch entlüfteten Kolbenkompressor, aber ohne dessen aufwendige Mechanik zur Ventilanhebung.

Der Hüttlin-Kugelkompressor (HKK) besteht im Inneren aus einem sogenannten Kolbenrotor, der mit zwei bogenförmigen, sich auf der Systemachse gegenüberliegenden Hohlräumen kreisrunden Querschnitts , den Zylinderräumen, ausgestattet ist. In diesen Zylinderräumen werden insgesamt vier ebenso bogenförmige Kolben kreisrunden Querschnitts im stetigen Wechsel paarweise und symmetrisch aufeinander zu und voneinander weg bewegt. Die Kraftübertragung erfolgt über zwei Zahnräder und eine einfach und gerade gestaltete Antriebswelle parallel zur Systemachse sowie über die Funktionseinheit der Kolben mit den Führungsrollen, die auf dem Kurvenglied laufen.

Kolbenpaare arbeiten wechselseitig

Der Kolbenrotor wird in den Rotorlagern über die Antriebswelle in eine Drehbewegung versetzt. Die paarweise Kolbenbewegung (Atmungsbewegung), wird durch die zur Funktionseinheit mit den Kolben verbundenen Führungsrollen hervorgerufen, während diese auf den etwa orthogonal zur Systemachse angeordneten Laufflächen des Kurvengliedes entlang rollen.

Durch die Drehung des Innenrotors wird die Antriebskraft über die Führungsrollen auf die Kolben übertragen. Der Kolbenrotor weist entweder auf einer Stirnseite einen Zahnkranz auf, wenn die Antriebswelle parallel zur Systemachse angeordnet wurde und der Antrieb über ein Getriebe erfolgt, oder der Zahnkranz entfällt, wenn die Antriebswelle auf der Systemachse liegt und der Antrieb über eine Kupplung, direkt mit Motordrehzahl von 1500min-1 erfolgt bzw. über eine Riemenscheibe. Der Kolbenrotor mit seinen vier Kolben dreht sich im kugelförmigen Gehäuse um dessen Systemachse, wobei durch die Formgebung des Kurvengliedes bzw. der Laufflächen die symmetrischen Bewegungen der Kolben voneinander weg und aufeinander zu erzeugt werden.
Dies geschieht entweder für jedes Kolbenpaar wechselseitig, d.h. wenn das linke Kolbenpaar seine Verdichtung beendet hat und der Ansaugvorgang beginnt, hat das rechte Kolbenpaar seine Ansaugung beendet und der Verdichtungsvorgang beginnt, oder es geschieht gleichzeitig, wenn beide Kolbenpaare um 90° versetzt zueinander angeordnet sind und Ansaugung und Verdichtung jeweils simultan stattfinden.
Auf beiden Stirnseiten des Gehäuses befinden sich je zwei Frischluft-/Gasansaugöffnungen und je zwei Druckluft-/Gasausblasöffnungen, jeweils abwechselnd und um 90° versetzt angeordnet. Diese korrespondieren über die beiden Kopfstücke des Kolbenrotors optimal mit der jeweiligen Atmungsöffnung der beiden darin auf der Systemachse liegenden Kompressionsräume. Die zwar gebogenen, jedoch kreisrunden Kolben und Kolbenringe entsprechen dem Stand der Technik. Aus diesem Grund kann jeder kompetente Kompressorenhersteller sehr gut seine Erfahrungen auf den HKK übertragen, sowohl hinsichtlich der Kolbenringe und -werkstoffe als auch in Bezug auf ölfreie Verdichter.
Die wesentlichen Vorteile des Gaswechsel- und Dichtungssystems des Kugelkompressorssind:effizient und zuverlässig;keine Ventile und Ventil-platten;Dichtungen aus Hightech- Verbundwerkstoffen, fürölfreie Verdichtung geeig-net.

Einfache Erweiterung oder 2-stufige Ausführung

Ein Konstruktionsmerkmal des HKK ist die einfache und kostengünstige Realisierbarkeit als Kompressoranlage mit mehreren Verdichterblöcken aufgrund der einfachen, gerade konzipierten Antriebswelle oder die Ausführung einer 2-stufigen Kompressoranlage mit zwei Verdichterblöcken. Die hohe Leistungsdichte bei niedrigen Drehzahlen und die einfach realisierbare Mehrfachanordnung machen den HKK auch bestens geeignet für die Gewinnung von Windenergie. Die Bauweise gestattet es ebenso, einen 2-stufigen Verdichter in der üblichen Bauweise zu konstruieren und vergleichbar einfach und effizient auszulegen wie einen Standard-Kolbenkompressor herkömmlicher Bauart.

Der Kugelkompressor bietet einen deutlichen wirtschaftlichen Nutzen für den Betreiber einer Druckluftanlage in der Industrie:

  • wettbewerbsfähige Standzeit und Betriebskosten wegen niedriger Energieaufnahme und niedrigen Wartungskosten;
  • einfache Konstruktion ohne die üblichen Ventile/Ventilplatten, keine Kurbelwelle, keine Ventiltriebe (Nockenwellen), keine Kolbenstangen (Pleuel);
  • zusätzliche Energieeinsparungen durch effiziente Last-Leerlauf- bzw. Teillast-Charakteristik;
  • einfache Wartung ohne Spezialvorrichtungen; kein vorbeugender Austausch von Verdichterblock oder Ventilplatten;
  • hohe Leistungsdichte und kompakte Abmessungen durch Kugelform und Kinematik.

Generell sind die Synergien und das Fachwissen aus der Entwicklung und der Produktion von Schrauben- und Kolbenverdichtern sowie aus deren Betrieb und Instandhaltung auf den HKK übertragbar und vorhanden, weil Steuerung und Elektronik an Standard-Schraubenverdichtern und Kolbenkompressoren ebenso für den HKK übernommen werden können, wie verzögerter Aussetzbetrieb, Last-Leerlauf Regelung und stufenlose Drehzahlregelung über Frequenzumrichter (Variable Speed Drive), übernommen werden können. Der HKK ist auch ein „Kolbenkompressor“; somit sind die Kernkompetenzen der Druckluftindustrie, zum Beispiel hinsichtlich Kühlung und Schmierung, Einstellungen und Parameter, Kolbenmaterial und -ringe sowie ölfreie Verdichtung, anwendbar. Regelung und Elektronik beim Kugelkompressor entsprechen denen von herkömmlichen Schrauben- und Kolbenverdichtern, sind allerdings einfacher und mit weniger Komponenten machbar, da nur Druckhalte- und Ausblasventil erforderlich sind, aber ohne Ansaug- und Druckventile bzw. Ventilplatten. Die Teillast-, Leerlaufregelung erfolgt mit atmosphärischer Entlüftung, ohne Nachlaufzeit und bietet somit ähnliche Energieeinsparungen wie die aufwendige „Ventilanhebung“.

Kompressoren im Wettbewerb

Deshalb ist der HKK bestens geeignet, für die meisten der industriellen Anwendungen für die Verdichtung von Luft und Gasen, ebenso wie die Schrauben- und Kolbenkompressoren. Dies sind beispielsweise Luft- und Gasverdichter im Leistungsbereich von 2,2 bis 75kW installierter Leistung und Arbeitsdrücken von 3,5 bis 11bar (1-stufig) oder höheren Drücken (mehrstufig) für die bekannten mobilen und stationären Anwendungen.

Der HKK bleibt wettbewerbsfähig, selbst bei höheren Verkaufspreisen der Hersteller im Vergleich zu etablierten Standard-Schraubenkompressoren, falls sie die Investitionen in die Produktentwicklung des HKK rasch kompensieren wollen. Dies resultiert aus der Tatsache, dass die Gesamt-Lebenszykluskosten von 100% um mehr als 18% geringer anzunehmen sind – für die ersten zehn Betriebsjahre eines Kugelkompressors – als die entsprechenden Kosten für einen Standard-Schraubenkompressor.

Heftausgabe: Oktober 2008

Über den Autor

Thomas B. Kordik ,
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