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[[Datei:Teil eines Großkompressors.jpg|mini|Großverdichter einer [[Kokerei]]]]<br />
[[Datei:Kolbenkompressor.jpg|mini|Elektrischer Kolbenkompressor mit Kessel zur Druckluftherstellung]] [[Datei:Membrankompressor in kompakter Bauweise.png|mini|Kompakter Membrankompressor.]]<br />
<br />
Ein '''Verdichter''', auch als ''Kompressor'' bezeichnet, ist eine [[Fluidenergiemaschine]] zum [[Kompressionsmodul|Komprimieren]] von Gasen. Sie erhöhen den [[Druck (Physik)|Druck]] und die [[Dichte]] eines Gases in einem geschlossenen Volumen. Verdichter, die ein [[Vakuum]] erzeugen, werden als [[Vakuumpumpe]]n bezeichnet.<br />
<br />
== Grundlagen ==<br />
Verringert man das [[Volumen]] eines Gases durch Zusammendrücken, so spricht man von Verdichten oder Komprimieren. Entsprechende Geräte heißen Verdichter oder Kompressoren. Bei Verdichtungsvorgängen wird ein vorhandenes Ansaugvolumen ''V''<sub>1</sub> mit dem Betriebsdruck ''p''<sub>1</sub> zu einem kleineren Volumen ''V''<sub>2</sub> zusammengepresst. In dem kleineren Volumen ''V''<sub>2</sub> herrscht ein erhöhter [[Druck (Physik)|Druck]] ''p''<sub>2</sub>, und das Gas erwärmt sich während des Verdichtungsprozesses.<br />
<br />
Da sich das Volumen während der Verdichtung verringert, ist es entscheidend, den jeweiligen Druckzustand zum Volumenstrom anzugeben. Übliche Angaben sind der Saugvolumenstrom (bezogen auf Saugdruck&nbsp;p<sub>1</sub>), Austrittsvolumenstrom (bezogen auf den Enddruck&nbsp;p<sub>2</sub>) sowie der Normvolumenstrom (bezogen auf den Normzustand p&nbsp;=&nbsp;101,3&nbsp;kPa, T&nbsp;=&nbsp;293,15&nbsp;K =&nbsp;20&nbsp;°C).<br />
<br />
Für Verdichtungsvorgänge gilt bei konstant bleibender [[Temperatur]] das [[Gasgesetz|Boyle-Mariottesche Gesetz]].<br />
<br />
Bei der Anwendung dieses Gesetzes ist darauf zu achten, dass ''p''<sub>1</sub> und ''p''<sub>2</sub> absolute Drücke sind. Alle Druckangaben bei pneumatischen Anlagen beziehen sich jedoch auf den Überdruck Pe gegenüber dem atmosphärischen Druck. Andernfalls werden Druckangaben besonders gekennzeichnet.<br />
<br />
* Druckangaben in der Pneumatik beziehen sich auf Überdruck<br />
* Druckmessgeräte in der Pneumatik sind auf Überdruck eingestellt<br />
<br />
== Liefermenge und Betriebsdruck ==<br />
<!-- Stationäre Verdichter werden meist durch [[Elektromotor]]en angetrieben. // Beleg? --><br />
<!-- Bei fahr- und tragbaren Anlagen benutzt man zum Antrieb häufig [[Verbrennungsmotor]]en (Baustellenkompressoren). // Beleg? --><br />
Zur Kennzeichnung eines Verdichters dienen der erreichbare Druck und die Liefermenge. Die Liefermenge ist das je Zeitspanne abgegebene Gasvolumen; sie wird bei kleinen Anlagen in Liter/min, sonst in m<sup>3</sup>/min angegeben. Häufig gebräuchlich jedoch irreführend ist die Angabe der (theoretischen) Ansaugleistung als Produkt aus Drehzahl und [[Hubraum|Hubvolumen]]. Sie sagt nichts über die tatsächliche Fördermenge aus, da dabei der [[Liefergrad|volumetrische Füllungsgrad]] vernachlässigt wird.<br />
<!-- Pneumatische Anlagen arbeiten in der Regel mit einem Druck von 6&nbsp;bar. // müsste eingeschränkt werden auf z. B. Einsatzgebiet. (und belegt.) --><!-- ; als untere Grenze werden 3&nbsp;bar und als obere 15&nbsp;bar angegeben. // Begründung?!? --><br />
<br />
== Kenngrößen ==<br />
* Liefermenge – Volumen des abgegebenen Fluids je Zeitspanne.<br />
* Betriebsdruck – erreichbarer Überdruck.<br />
* Druckverhältnis <math>\Pi=p_2/p_1</math> = Enddruck/Saugdruck<ref>{{Webarchiv |url=http://marani.de/index.php/grundlagen |text=Effiziente Anlagen |wayback=20160804151251 |archiv-bot=2019-05-21 05:28:35 InternetArchiveBot}} marani 4. Aug 2016.</ref><br />
* Liefergrad – Bezeichnet das Verhältnis von gefördertem, zum theoretisch (aufgrund der Geometrie) möglichen Volumenstrom.<br />
Um Verdichter verschiedener Bauart und Betriebspunkte besser vergleichen zu können, wird oft der Normvolumenstrom betrachtet.<br />
Dies ist der Volumenstrom des Verdichters, umgerechnet auf [[Normbedingungen]] (Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit).<br />
<br />
== Bauformen ==<br />
[[Datei:Baustellenkompressor ca 1910.jpg|mini|Fahrbarer Baustellenkompressor, ca. 1910, mit Verbrennungsmotorantrieb]]<br />
[[Datei:Dragster Kompressor 2005.jpg|mini|Roots-Gebläse für den Rennsporteinsatz]]<br />
<br />
=== Kolbenverdichter ===<br />
{{Hauptartikel|Kolbenkompressor}}<br />
Man unterscheidet Hubkolbenverdichter und Drehkolbenverdichter.<br />
<br />
Bei Hubkolbenverdichtern wird das Gas in einem Zylinder von einem hin- und hergehenden Kolben in den Arbeitsraum angesaugt, dort verdichtet und wieder ausgestoßen. Diese Verdichter arbeiten zyklisch, haben geringe Volumenströme und hohe [[Druckverhältnis]]se. Ansaug- und Auslassventil sind automatisch arbeitende Plattenventile.<br />
<br />
Von den Drehkolben- oder [[Rotationsverdichter]]n gibt es verschiedene Bauarten ([[Roots-Gebläse]], Flügelzellenverdichter, Schraubenverdichter, [[Scrollverdichter]]). Ihnen ist gemeinsam, dass der Arbeitsraum zwischen dem Gehäuse und einem oder mehreren Verdrängern (Drehkolben) gebildet wird, die sich drehen oder auf eine Kreisbahn bewegen. Angesaugt und ausgestoßen wird das Gas durch Schlitze, die der Kolben bei seiner Bewegung freigibt und verschließt.<br />
<br />
=== Schraubenverdichter ===<br />
{{Hauptartikel|Schraubenspindelpumpe}}<br />
[[Datei:Lysholm screw rotors.jpg|mini|Die beiden Rotoren eines Schraubenverdichters]]<br />
[[Datei:Innsbruck-Kaeser-model screw compressor-03ASD.jpg|mini|Modell eines Schraubenverdichters der Fa. [[Kaeser Kompressoren]]]]<br />
Der Schraubenverdichter gehört zu den rotierenden, zweiwelligen Verdrängerverdichtern mit innerer Verdichtung. Er ist einfach aufgebaut, hat kleine Abmessungen, eine geringe Masse, gleichmäßige, pulsationsfreie Förderung und einen ruhigen Lauf, weil ihm oszillierende Massen und Steuerorgane fehlen. Er erreicht bis zu 30 bar Überdruck.<br />
<br />
==== Geschichte ====<br />
Die Idee zum Bau eines Schraubenverdichters entstand schon 1878, die Geometrie der Oberflächen konnte aber wegen technischer Schwierigkeiten nicht hergestellt werden. Etwa ein halbes Jahrhundert später, im Jahr 1930, hatte man dann die fertigungstechnischen Voraussetzungen dafür, um die komplizierte Schraubengeometrie herzustellen. Einem schwedischen Ingenieur namens [[Alf Lysholm]] gelang es 1955,<ref>{{Webarchiv |url=http://www.atlascopco.com/history/significantpeople/ |text=Bedeutsame Personen in der Historie der Atlas Copco Gruppe |wayback=20160402014946 |archiv-bot=2019-05-21 05:28:35 InternetArchiveBot}} Webseite der Atlas Copco Gruppe. Abgerufen am 29. Mai 2012.</ref> den ersten Schraubenkompressor der Welt herzustellen und erfolgreich einzusetzen. Anfänglich konnte sich der Kompressor jedoch gegenüber dem gängigen Kolbenkompressor nicht durchsetzen. Die internen Verluste an den Schrauben waren zu groß, um von einem effektiven Kompressor und vor allem von einer Alternative zum Kolbenkompressor zu sprechen. Noch einmal 40 Jahre mussten vergehen, bis dann endlich der entscheidende Punkt in der Verbesserung des [[Wirkungsgrad]]es gefunden wurde. Eine Öleinspritzung in die Kompressorstufe senkt die Verlustrate erheblich und dient dem Kompressorblock gleichzeitig als Kühlung. Außerdem konnten dann [[Wälzlager]] verwendet werden, anstelle der bis dahin gängigen [[Lager (Maschinenelement)#Gleitlager|Gleitlager]]. Insgesamt führte diese Erkenntnis zu sehr einfach gebauten, aber dennoch robusten Verdichtern. Schraubenverdichter haben sich inzwischen bewährt – etwa die Hälfte aller derzeit eingesetzten Kompressoren sind Schraubenverdichter.<br />
<br />
==== Funktionsweise ====<br />
Zwei parallel angeordnete, mechanisch (in der Regel durch ein Zahnradpaar) zwangsgekoppelte Rotoren mit ineinandergreifender, schraubenförmiger [[Verzahnung]] in einem Gehäuse sind das Herz dieser Anlage. An der [[Zahnrad|Wälzlinie]] zwischen den beiden Wellen (der Stelle, an der sich die beiden schraubenförmigen Wellen berühren) ist der Durchgang für das zu fördernde Medium mechanisch (durch die Verzahnung) verschlossen. Das Medium befindet sich in den Zahngängen und wird von der Gehäusewandung darin gehalten. Es wird in Achsrichtung gefördert. An den beiden Stirnseiten der Achsen befinden sich im Gehäuse Öffnungen für Ein- (Saugseite) und Auslass (Druckseite). Die Länge der Rotoren, [[Steigung]] der Verzahnung und die Ein- und Auslassöffnungen müssen so angepasst sein, dass kein direkter Durchgang von der Druck- zur Saugseite besteht, also kein Rückfluss entstehen kann. Der geförderte Volumenstrom des Mediums ist, von den Verlusten abgesehen, ''proportional zur Drehzahl''.<br />
<br />
Das Medium (zum Beispiel Luft) strömt auf der Saugseite in die Zahngänge ein, bis sich der Gang beim Weiterdrehen saugseitig am Abwälzpunkt verschließt. Er bildet nun um den Rotor einen [[Helix|wendelförmigen]] Luftschlauch. Bei weiterer Drehung öffnet sich die Verzahnung zur Druckseite, und die Luft wird durch das Weiterdrehen aus der Maschine gefördert.<br />
<br />
Um eine weitgehend impulslose Verdichtung mit hohem Wirkungsgrad zu erreichen, muss die Luft bereits im Verdichter komprimiert werden, damit der Druck am Ende der Verdichtung dem Druck auf der Druckseite möglichst gleich ist. Dazu wird das Gas nicht sofort zur Druckseite freigegeben. Dem sich öffnenden Zahngang wird eine Wand entgegengestellt. Beim Weiterdrehen der Welle verkleinert sich das Volumen des Luftschlauchs, da er quasi gegen die Wand gedrückt wird, er wird verdichtet. Nun kann je nach verlangtem Druck dieser zusammengedrückte Luftschlauch früher oder später freigegeben werden. Der Kompressionsgrad wird also durch Größe und Anordnung der Auslassöffnung bestimmt.<br />
<br />
Eine weitere Möglichkeit zum internen Verdichten der Luft ist die Veränderung der Steigung der Verzahnung, die in diesem Fall zur Druckseite hin abnimmt. Wenn der Luftschlauch zur Druckseite wandert, wird sein Volumen mit abnehmender Steigung reduziert.<br />
<br />
=== Turboverdichter ===<br />
[[Datei:Axial compressor.gif|mini|Axialkompressor. Die stehenden Blätter sind die [[Stator]]en.]]<br />
[[Datei:Verdichterkennfeld.svg|mini|400px|Qualitative Darstellung]]<br />
Beim [[Turbokompressor|Turboverdichter]] wird durch einen rotierenden Läufer nach den Gesetzen der Strömungsmechanik dem strömenden Fluid Energie zugesetzt. Diese Bauart arbeitet kontinuierlich und zeichnet sich durch geringe Druckerhöhung pro Stufe und hohen Volumendurchsatz aus. Radial- und Axialverdichter sind die beiden Hauptbauarten für Turboverdichter. Beim Axialverdichter strömt das zu komprimierende Gas in paralleler Richtung zur Achse durch den Verdichter. Beim Radialverdichter strömt das Gas axial in das Laufrad der Verdichterstufe und wird dann nach außen (radial) abgelenkt. Bei mehrstufigen Radialverdichtern ist damit hinter jeder Stufe eine Strömungsumlenkung notwendig.<br />
<br />
Eingesetzt werden diese Verdichter etwa im [[Turbolader|Abgasturbolader]] (meist als Radialverdichter) oder in [[Turbinen-Strahltriebwerk]]en (meist als Axialverdichter). Hier erhöht sich der Druck jedoch nicht durch den sich verengenden Kanalquerschnitt, sondern vielmehr dadurch, dass der Zwischenraum zwischen den Schaufeln eines solchen Verdichters die Form eines [[Diffusor (Strömungsmechanik)|Diffusors]] einnimmt. Hier steigen der Druck und die Temperatur, während die Geschwindigkeit sinkt. Im sich drehenden Teil einer Verdichterstufe (Laufrad, Rotor) wird der Luft die für den weiteren Druckaufbau nötige kinetische Energie wieder zugeführt.<br />
<br />
==== Transsonischer Verdichter ====<br />
Unter einem [[Transsonische Strömung|transsonischen]] Verdichter versteht man einen Turboverdichter axialer oder radialer Bauart, in dem die Strömungsgeschwindigkeit im Relativsystem (der Beobachter „sitzt auf der rotierenden Rotorschaufel“) mindestens lokal die Schallgeschwindigkeit übersteigt. Die vorderen Stufen moderner Verdichter in Flugtriebwerken und Gasturbinen sind meist transsonisch ausgelegt, da hier die Temperaturen noch gering sind und man bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit eine höhere [[Mach-Zahl]] erhält. Die Machzahl ist das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit zur Schallgeschwindigkeit, letztere ist eine Funktion der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung des Gases.<br />
<br />
Der Vorteil transsonischer Verdichter sind die hohen Leistungsdichten, was insbesondere bei Flugzeugtriebwerks-Verdichtern wichtig ist, da so das System sehr kompakt ist. Diese Verdichter sind durch komplexe Systeme von Verdichtungsstößen gekennzeichnet, die die Auslegung und den stabilen Betrieb des Verdichters erheblich erschweren. Nachteilig sind auch die hohen Verluste, die mit den Verdichtungsstößen einhergehen und welchen nur durch komplexe dreidimensionale Beschaufelungen und ausgefeilte Profile begegnet werden kann. Üblicherweise sind die ersten Stufen des Niederdruckverdichters bei Triebwerken transsonisch ausgelegt wegen des großen Durchmessers der Rotoren und der Drehzahlgleichheit aller auf der Welle befindlicher Aggregate.<br />
<br />
=== Weitere Verdichterformen ===<br />
* [[Flüssigkeitsringpumpe]]<br />
* [[#Kolbenverdichter|Hubkolbenverdichter]]<br />
* [[ionischer Verdichter]]<br />
* [[Lamellenverdichter]]<br />
* [[Rotationsverdichter]]<br />
* [[Taumelscheibenverdichter]] ({{enS|Wobble-Plate}})<br />
* [[Labyrinth-Kolben-Verdichter]]<br />
* [[#Schraubenverdichter|Schraubenverdichter]]<br />
* [[Roots-Gebläse]]<br />
* [[Schiefscheibenverdichter]] ({{lang|en|Swash-Plate}})<br />
* [[Scrollverdichter]] („[[G-Lader|VW G-Lader]]“)<br />
* [[Junkers-Freikolbenverdichter]], siehe auch [[Freikolbenmaschine]]<br />
* [[Membranverdichter]]<br />
* [[Seitenkanalverdichter]]<br />
<br />
== Einteilung ==<br />
'''Volumenstrom und Enddruck'''<br />
<br />
Turboverdichter liefern große Volumenströme bei kleinen Verdichtungsenddrücken, Verdrängerverdichter liefern bei kleinem Durchsatz große Verdichtungsenddrücke.<br />
<br />
'''Ölfrei'''<br />
<br />
Kompressorbauarten können auch unterteilt werden in ölgeschmierte und ölfreie Kompressoren.<br />
<br />
'''Offen oder [[hermetisch]]'''<br />
<br />
In der Kältetechnik unterscheidet man zusätzlich noch:<br />
* Vollhermetische Verdichter – Motor und Kompressor befinden sich in einem gekapselten verschweißten Gehäuse und in direktem Kontakt mit dem [[Kältemittel]], Gehäuse lässt sich nicht für Reparaturen öffnen<br />
* Halbhermetische Verdichter – Motor und Kompressor befinden sich im selben Gehäuse, Gehäuse lässt sich über geschraubte Deckel komplett zerlegen und reparieren<br />
* Offene Verdichter – der Verdichter wird über Riemen, Getriebe oder Zahnräder angetrieben, Gehäuse lässt sich über geschraubte Deckel komplett zerlegen und reparieren<br />
<br />
== Antriebsarten ==<br />
Der Antrieb durch [[Elektromotor]]en ermöglicht eine variable Drehzahl in einem weiten Bereich und somit der Regelbarkeit der Liefermenge. Die Wartungskosten sind gering, die Betriebskosten sind jedoch vom Strompreis abhängig.<br />
<br />
Beim Antrieb durch einen [[Verbrennungsmotor]] ist die Regelbarkeit stark eingeschränkt, da Verbrennungsmotoren nur in einem gewissen Drehzahlbereich langlebig und effizient betrieben werden können.<br />
Inzwischen sind von Gasmotoren angetriebene Verdichter auch als [[Kraft-Wärme-Kopplung]]s-Anlagen erhältlich. Durch den im Verhältnis zum Strompreis niedrigen Gaspreis sind die Betriebskosten gering. Wenn ein Gewerbebetrieb mit kontinuierlichem Bedarf an Druckluft die von Verbrennungsmotor und Verdichter erzeugte Abwärme zur Gebäudeheizung einsetzen kann, rechnen sich die höheren Investitionskosten durch die Einsparung bei den Heizkosten.<ref>Berichte über Verdichteranlagen mit Abwärmenutzung bei ''[https://www.energie-und-management.de/nachrichten/alle/detail/druckluft-erzeugen-ohne-strom-111911 Energie und Management]'', im ''[http://kwkd.postberg.com/wordpress/wp-content/uploads/2015/12/industrieanzeiger_gasmotorisch_statt_elektrisch.pdf Industrieanzeiger]'' und im Internetangebot der ''[http://www.hannovermesse.de/de/news/laesst-die-luft-aus-den-kosten.xhtml Hannover Messe].'' Abgerufen im September 2016.</ref><br />
<br />
== Anwendungen ==<br />
* [[Atemschutzkompressor]]<br />
* [[Druckluftanlage]]<br />
* [[Klimakompressor]]<br />
* [[Luftpumpe]]<br />
* [[Motoraufladung]], als Hilfsmittel zur „Zwangsbefüllung“ des Motors mit zusätzlicher Luft, oder Gasgemischen, zur Leistungssteigerung<br />
<br />
== Siehe auch ==<br />
* [[Gasgesetze]]<br />
* [[Siemens-Kreisprozess]]<br />
<br />
== Weblinks ==<br />
{{Commonscat|Compressors|Verdichter}}<br />
{{Wiktionary}}<br />
{{Wiktionary|Kompressor}}<br />
<br />
== Einzelnachweise ==<br />
<references /><br />
<br />
{{Normdaten|TYP=s|GND=4078787-4}}<br />
<br />
[[Kategorie:Verdichter| ]]<br />
[[Kategorie:Gastechnik]]<br />
[[Kategorie:Kältetechnik]]</div>imported>KaiKemmann