Dem Ton auf der Spur

Nutzen der Ultraschallsignale in der Drucklufttechnik

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17.11.2008 Was haben Alpenhörner und Druckluftleckagen gemeinsam? Sie erzeugen Töne durch gepresste Luft. Die Alpenhörner sind für das menschliche Ohr hörbar, die undichten Stellen im Druckluftsystem hört der Mensch dagegen nicht so einfach. Doch ihre Töne im Ultraschall-Frequenzbereich lassen sich mit speziellen Geräten aufspüren.

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Der Begriff „Energieeffizienz“ hat heute schon den Stellenwert eines Modewortes und sollte deshalb kurz definiert werden:

„Energieeffizienz“ bezeichnet das Verhältnis von Energieaufwand zu dessen Nutzen. In der Industrie bedeutet dies: Das Verhältnis von Energiekosten zum Produktionsergebnis oder volkswirtschaftlich das Verhältnis von Energieverbrauch zum Bruttosozialprodukt.

Ein beachtlicher Teil von Energiekosten verbirgt sich in der Energieaufbereitung und Verteilung von Vakuum und Druckluft. Mehr als 2/3 aller Kosten einer Druckluft- und Vakuumanlage entfallen auf die Energiekosten. Bereits nach zwei Jahren übersteigen die Energiekosten meist die Investitionen. Es lohnt sich also, die hohen Energiekosten zu betrachten und sich die Frage zu stellen, wie diese Kosten reduziert werden können. Das ist heute besonders brisant, da die Energiepreise im Einkauf kaum sinken werden.

Flexibel aber teuer

Druckluft und Vakuum sind sehr praktische Energieträger: Einfach zu handhaben, flexibel einsetzbar, leicht regelbar, sauber und nahezu ungefährlich. Andererseits ist Druckluft nach wie vor die teuerste Energieform, weil sie mit großem Aufwand und mit riesigen Verlusten aus elektrischer Energie umgewandelt und aufbereitet wird. Dort schlummert ein erhebliches Effizienzpotenzial. Im volkswirtschaftlichen Sinn muss auch noch die Effizienz der Erzeugung von Elektroenergie hinzugerechnet werden. In der Industrie schlagen jedoch die Stromkosten direkt zu Buche. Es gilt diese Stromkosten zu reduzieren. Bei der Drucklufterzeugung wird der Leitungsverbrauch mal Zeit ( kWh) als Energieverbrauch definiert. Dies ist der Verbrauch der elektrisch angetriebenen Kompressoren. Und hier wird der Nachteil der Druckluft als Energieträger sichtbar: Nur 10 Prozent der elektrischen Leistung werden in Druckluftenergie gewandelt. Der weitaus höhere Anteil von 90 Prozent geht als Wärmeenergie verloren. (Selten wird diese Wärme in anderer Form genutzt.)
Es sollten deshalb Maßnahmen ergriffen werden, um diesen kleinen und wertvollen Anteil von 10 Prozent, die erzeugte Druckluftenergie, nicht zu vergeuden. Denn der vergeudete Anteil der Energie ist in Industrieanlagen zur Zeit noch extrem hoch. Im Rahmen der Kampagne „effiziente Druckluft – Energie Schweiz“ wurde ermittelt , dass 25 bis 40 Prozent der erzeugten Druckluft durch Leckagen vergeudet werden. Diese Leckagen befinden sich in jedem Glied der Umwandlungskette, vom Kompressor zum Drucktank, über den Trockner und Kondensatabscheider bis hin zu den langen Rohrleitungen, von dort aus über die Kupplungen , Schläuche bis zum Verbraucher. Es werden also viele tausend Euro in Form von Druckluft in die Luft geblasen. Diese Verschwendung ist leicht zu vermeiden, wenn regelmäßig die Leckagen beseitigt werden. Dazu müssen sämtliche Leckagen zuerst aufgespürt werden. Am einfachsten mit einem Ultraschall-Suchgerät.

Druckluft-Töne

Grundlage dafür sind die von der Druckluftleckage erzeugten Schwingungen, ähnlich der Töne aus einem Alpenhorn. Der Physiker beschreibt den Schalleffekt im Alphorn wie folgt (Quelle: Wikipedia.de):
„…der Ton wird mit den menschlichen Lippen erzeugt;… die verschlossenen, seitwärts angespannten Lippen werden durch den erzeugten Lungenluftdruck geöffnet. Die Druckdifferenz inner- und außerhalb des Lippenbereiches wird damit schlagartig ausgeglichen. Durch die nunmehr zwischen den Lippen beschleunigte Luft entsteht hier ein Unterdruck, der wieder zum Lippenverschluss führt. Diese werden aber durch den gleichbleibenden Anblasdruck sofort wieder gesprengt. Das Schwingen ergibt sich also aus der Kombination von Anblasdruck und Lippenspannung …“

Auch wenn dieses Zitat eine sehr trockene technische Beschreibung ist, bietet es doch den Hinweis, wie Schall über gepresste Luft erzeugt wird. Ein Luftstrahl trifft auf eine Kante. Die Strömungsgeschwindigkeit der Luft ist abhängig vom Differenzdruck ( > 1 bar ) und vom Durchmesser der Öffnung. Abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit der Luft entstehen an der Kante Wirbel oder Turbulenzen, die einen Schall hervorrufen. Der Schall ist eine Longitudinalwelle mit einer definierten Frequenz. Diese Frequenz kann für den Menschen hörbar sein wie zum Beispiel die von Pfeifen oder anderen Blasinstrumenten (16 Hz bis 20 kHz). Bei höheren Drücken und bei kleinen Öffnungen entsteht eine höhere Strömungsgeschwindigkeit und damit auch Turbulenzen, die im nicht hörbaren Frequenzbereich schwingen, zum Beispiel im Ultraschallbereich um die 40 kHz. Diese Ultraschallsignale macht man sich in der industriellen Messtechnik zu Nutze für die Lecksuche von Gasen, von Vakuum oder von Druckluft. Der positive Effekt dabei ist die Tatsache, dass diese Ultraschall-Erfassung auch in lauter Umgebung zuverlässig wirksam ist. Alle für das menschliche Ohr hörbaren Geräusche stören nicht.
Die Ultraschallsignale lassen sich mit handelsüblichen Ultraschallsensoren empfangen. Der Pegel der Signale wird elektronisch umgewandelt und dann optisch mit Leuchtdioden oder akustisch im Kopfhörer angezeigt. Je näher man den Ultraschallsensor in die Nähe einer Leckage bewegt, desto größer wird der Pegel, also die Lautstärke.

Je größer, je teurer

Die Gegenüberstellung der Leckagegröße als Funktion des Luftverlustes und des damit verbundenen Energieverlustes zeigt ganz klar, wie viel Kosten Leckagen erzeugen. Ein Blick auf die jährlichen Kosten der Energieverluste bei Leckagen zeigt, dass die Beseitigung von nur 3 Löchern mit 1 mm Durchmesser die Anschaffung eines Leckagesuchgeräts schon nach einem Jahr zu 100 Prozent amortisiert. Der Nutzen der regelmäßigen Kontrolle des Druckluftsystems und deren Beseitigung ist eindeutig. Die einfachste Kontrolle erfolgt mit einem Handmessgerät, welches die Ultraschallquellen ortet. Natürlich erkennt man auch schon am Druckabfall am Manometer das Vorhandensein von Leckagen ; für die Beseitigung der Leckagen ist allerdings die Kenntnis der Leckagestellen unverzichtbar.

Leckagesuchspray versus Ultraschall-Leck-Detektion

Viele Anwender nutzen für die Leckdetektion Leckagespray. Es bilden sich sichtbare Seifenblasen aus. Das funktioniert aber nicht wenn der Druck zu groß ist, weil dann die Seifenlauge trocken geblasen wird. Außerdem werden „unverdächtige“ Leckagestellen nicht erkannt, weil diese nicht besprüht werden. Zudem haben Seifenblasen keinen langen Bestand. Schon nach kurzer Zeit verschwinden sie, je nach Beschaffung der Oberfläche, der Temperatur und der bewegten Luft in der Umgebung. An dunklen Stellen oder auf der Rückseite von Rohrleitungen sind sie oft nicht sichtbar. Noch dazu hinterlassen die Sprays klebrige Schichten, auf denen sich Staub und Schmutz festsetzt. Für Instandhalter ist besonders problematisch, dass solche Sprays dauernd bevorratet werden müssen.

Das elektronische Ultraschallgerät Leak Detect erweist sich in der Handhabung leichter und zeigt alle Leckagestellen auf – auch die Stellen , die „unverdächtig“ und unsichtbar sind. Das Gerät arbeitet in einem engen Frequenzband und weist einen geringen Rauschpegel auf. Es lässt sich einfach bedienen, weil auf überflüssige Funktionen wie Wälzlagerkontrolle verzichtet wurde. Es wiegt vergleichsweise wenig und der eingebaute Metallschirm schützt das Gerät gegen elektromagnetische Störungen, zum Beispiel von Leuchtstoffröhren.

Unterschätzter Beitrag Energie einzusparen

Aufgrund der dramatisch gestiegenen Energiekosten sind die Schlagworte „Energieeffizienz“ oder „Klimaschutzprogramm“ in aller Munde. Energie- Effizienzmaßnahmen sind die Herausforderung der nahen Zukunft. Gerade in industriellen Produktionsabläufen besteht ein erhebliches Energiepotenzial, das eingespart werden kann. Die Maßnahme „Beseitigung von Druckluftleckagen“ ist dabei ein kleiner aber nicht unwesentlicher Mosaikbaustein der Energieeinsparung.

Heftausgabe: November 2008
Klaus Michelsen , Leitung Industrieelektronik, Hilger u. Kern / Dopag Gruppe

Über den Autor

Klaus Michelsen , Leitung Industrieelektronik, Hilger u. Kern / Dopag Gruppe

Klaus Michelsen , Leitung Industrieelektronik, Hilger u. Kern / Dopag Gruppe

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