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Hybrid-Kompressoren

Hybrid-Kompressoren und Kolbenverdichter, die Stärken und Funktionen

Hybrid-Kompressoren wie Kolbenverdichter, Turboverdichter, Hubkolbenkompressors bzw. Hubkolbenverdichter und auch andere Verdichter sowie Kompressoren kombinieren auf geschickte Art und Weise die Vorteile von Kolbenkompressoren und Membranmaschinen. Sie spielen dann ihre besonderen Stärken aus, wenn sehr hohe Drücke von 1.500 bar und mehr zur Komprimierung von technischen Gasen und Gasgemischen ohne Ölschmierung im hochverfügbaren Betrieb gefordert sind. Gleichzeitig stellen Hybrid-Kompressoren auch für Kunden und Hersteller eine zukunftssichere Investition im Hinblick auf zu erwartende Umweltauflagen dar und ihre vielseitigen Anwendungen.

 

Funktion Hybrid-Kompressoren:

Hybrid-Kompressoren werden immer dann eingesetzt, wenn Gas ölfrei auf hohe Drücke verdichtet werden muss.

 

Als Hybrid-Kompressoren werden Maschinen bezeichnet, die zwei Verdichtungsprinzipien in sich vereinen. Im Markt ist es üblich, Kombinationen aus Hubkolbenverdichtern und Membranverdichtern als Hybridmaschinen zu bezeichnen. Das Ziel solcher Lösungen ist ein zuverlässiger Betrieb, ohne das Gas zu verunreinigen und Emissionen an die Umwelt abzugeben. Zudem überschreiten diese Maschinen die förderbare Gasmenge eines reinen Membranverdichters um ein Vielfaches. 

Hybrid-Kompressoren umgehen die Schmierung, die für erhöhten Druck bei Kolbenverdichtern unabdingbar wäre. Üblicherweise werden ungeschmierte Kolbenverdichter ab einem Druck von etwa 70 bar geschmiert ausgeführt. Das bedeutet, dass bei der Verdichtung Schmieröl injiziert wird, welches sich im Gasstrom löst und somit mitgetragen wird. Derartige Verunreinigungen sind bei einigen Prozessen unerwünscht.

Um Gase hochrein zu verdichten, müssten diese Schmierstoffe aus dem Gasstrom gefiltert werden. Dies ist allerdings nur theoretisch möglich. Da sich das Schmieröl im Produktgas löst, ist diese Reinigungsaufgabe, je nach gefordertem Reinheitsgrad, technisch aufwendig, verursacht extrem hohe Betriebskosten und ist mit einem erheblichen Invest verbunden.

Die ungeschmierten Hubkolbenstufen zeichnen sich durch hohe Durchflussmengen bei gleichzeitig hoher Verfügbarkeit aus. Eine Emissionsfreiheit zur Atmosphäre kann durch konstruktive Maßnahmen erzeugt werden. So führen die Anwendungen in Kombination mit Membranverdichterstufen zu einer leckagefreien und – in Bezug auf das Produktgas – verlustfreien Verdichtung.

Hybrid Kompressor

Doppelt wirkende Zylinder des Hubkolbenkompressors 

Beim Hubkolbenkompressor wird das angesaugte Gas in den beiden Arbeitsräumen nach dem Verdrängerprinzip verdichtet. Bei einer Umdrehung finden zwei Verdichtungen statt, weshalb dieses Verdichtungsprinzip als doppeltwirkend bezeichnet wird. Das geometrisch verfügbare Volumen zur Gasverdichtung wird also pro Umdrehung zweimal genutzt. So werden durch entsprechend groß gewählte Kolbendurchmesser hohe Luft-und Gasmengen verdichtet. Selbsttätige Arbeitsventile auf der Saugund Druckseite des jeweiligen Arbeitsraumes sorgen dabei für den Gaswechsel. Der kurbelseitige Arbeitsraum wird durch eine Kolbenstangenabdichtung gegen die Atmosphäre nahezu leckagefrei abgedichtet. Das wenige Leckgas, das unvermeidbar an dieser Kolbenstangendichtung vorbeiströmt, muss kontrolliert abgeführt werden, damit es nicht mit der Atmosphäre in Berührung kommt. Falls das Verdichtergehäuse gasdicht ausgeführt ist, kann auf diese Abführung verzichtet werden. Als interne Abdichtung dienen Kolbenringe. Diese Ringe werden aus PTFE-Verbundmaterialien hergestellt. Sie besitzen selbstschmierende Eigenschaften. Die Auswahl der geeigneten Materialpaarung ist vor allem auf Basis von Betriebserfahrungen möglich. Hier spielen Gaszusammensetzung, Gasfeuchte, Temperatur und Druckdifferenz eine Rolle.

Zylinder eines Kolbenverdichters
Schnittbild: Doppelt wirkender Zylinder eines Kolbenverdichters

Membranköpfe für den Membranteil

Auch der Membrankopf arbeitet nach dem Verdrängerprinzip. Durch die Auslenkung der Membrane gegen den Membrankopf wird das Gas verdrängt, das heißt verdichtet. Die Membranauslenkung wird durch die Bewegung des Hydraulikkolbens erreicht. Da der Verdichtungsraum zur Atmosphäre hin, ähnlich wie ein Rohrleitungsflansch, mit einer Dichtung aufgebaut ist, kann Leckage konstruktiv leicht vermieden werden. Das Hydrauliköl, das die Membrane antreibt, hat unter keinen Umständen Kontakt zum Produktgas. Zur Sicherheit ist die Membrane dreifach ausgeführt. Ein integriertes Öldrucküberwachungssystem sorgt bei einem eventuellen Bruch einer Membrane für einen sofortigen Stillstand der Maschine. Die Arbeitsventile sind indessen identisch mit denen des Kolbenverdichters.

Vergleich der Geometrie

Um einen korrekten Vergleich der förderbaren Gasmengen anzustellen, kann nur das geometrische Hubvolumen als Vergleichsparameter angesetzt werden. Maßgebliche Verlustfaktoren des jeweiligen Verdichtungsprinzips können nicht berücksichtigt werden, weil deren Effekt von den Eigenschaften des verdichteten Gases und den Druckbedingungen abhängt.

Bei einem Membrankopf mit beispielsweise 980 mm Membrandurchmesser und einem Hydraulikzylinderhub von 180 mm hat dieser Membrankopf ein nutzbares geometrisches Hubvolumen pro Umdrehung von ca. 11.000 cm³. Demgegenüber verdrängt der Zylinder eines Kolbenverdichters mit 980 mm Durchmesser und 180 mm Hub pro Umdrehung ein Volumen von ca. 271.000 cm³. Damit kann der Zylinder des Kolbenverdichters bei einer Umdrehung und unter gleichen Voraussetzungen die etwa 25-fache Gasmenge im Vergleich zum Membranverdichter komprimieren.

Schnittbild Membrankopf
Schnittbild Membrankopf
Schnittbild Öldrucküberwachungssystem
Schnittbild Öldrucküberwachungssystem

Vergleich der Effizienz

Der Kolbenverdichter hat interne und externe Leckagen. Diese entstehen an den Kolbenringen (intern) und an der Kolbenstangendichtung (extern). Diese Verluste sind vor allem von der Druckdifferenz abhängig, gegen die sie diese Elemente abdichten müssen, sowie vom Verschleißzustand. Dabei wirken sich beide Verluste direkt auf die Verdichterleistung aus. Der Kolbenverdichter muss, um diese Leckagen auszugleichen, mehr Gas verdichten, das dann nicht als nutzbarer Gasstrom zur Verfügung steht. Deshalb wird der Zylinder des Kolbenverdichters eher „zu groß“ ausgelegt. Der Membrankopf wird über eine Ölhydraulik betrieben. Die Strömungsverluste dieser Hydraulik sowie interne Verluste des Hydraulikkolbens müssen berücksichtigt werden.

Die Effizienz der Arbeitsventile ist bei beiden Verdichtungsprinzipien eine Herausforderung. Hier hat der Membrankopf Vorteile, weil die Arbeitsventile strömungstechnisch besser angeordnet werden können. Herausragendes Merkmal des Membrankopfes bleibt die Unabhängigkeit der volumetrischen Effizienz von den Dichtelementen.

Vergleich der Verfügbarkeit

Nach allgemeiner Auffassung sind bei Kolbenverdichtern und Membranverdichtern defekte Arbeitsventile die Hauptursache eines Ausfalls. Bei Kolbenverdichtern folgen Kolbenstangendichtungen und Kolbenringe als Versagensursache. Arbeitsventile verschleißen hauptsächlich durch die Anzahl der Öffnungs- und Schließvorgänge. Hier hat die Membranmaschine Vorteile, weil sie generell mit niedrigeren Drehzahlen arbeitet als die Kolbenmaschine. Da in allen Druckbereichen Membranmaschinen ohne Schmierung auskommen, gibt es keinen Einfluss von Schmieröl auf die Ventilfunktion. Insbesondere bei ungeschmierten Kolbenmaschinen versagen Kolbenstangendichtungen und Kolbenringe primär durch Reibung und Temperatureinfluss. Aus diesem Grund werden ungeschmierte Maschinen mit niedrigeren Temperaturen und niedrigen Drehzahlen betrieben. Die eingesetzten Materialien besitzen selbstschmierende Eigenschaften und leisten Enormes. Im Einsatz bei Hochdruckanwendungen nehmen die mechanischen Belastungen der Kolbenringe durch erhöhte Druckdifferenzen zu. Um einen exzessiven Verschleiß zu vermeiden, werden die Verdichter dann geschmiert. Hier spielt der Membrankopf seine Stärken aus. Da es keine Relativbewegungen im Verdichtungsteil gibt, entsteht auch kein Verschleiß durch Reibung. Kolbenringe existieren schlichtweg nicht.

Optimale Kombination

Wie oben dargestellt, existiert ein erheblicher Unterschied in der Gasmenge, die beide Lösungen verdichten können. Um jeweils die Stärken eines jeden Verdichtungsprinzips zu nutzen, liegt eine Kombination auf einem Maschinengehäuse nahe. Da es sich um das gleiche physika lische Verdichtungsprinzip handelt, sind die Verdichtungskonzepte thermodynamisch unkritisch kombinierbar. Auch die verfahrenstechnisch nötigen Komponenten zwischen den Stufen (wie Kühler, Behälter, Abscheider) haben für beide Verdichtungsprinzipien keine unterschiedlichen Anforderungen. So ist die Nutzung von Kolbenkompressorstufen als Niederdruckverdichtung und von Membranstufen als Hochdruckverdichtung eine optimale Wahl, um Gase ungeschmiert auf Hochdruck zu verdichten.

Vorteile der Kombination

  • Wegen der großen realisierbaren Zylinderdurchmesser in Kolbenbauform werden in einem Hybrid-Kompressor wesentlich höhere Liefermengen verdichtet als bei reinen Membrankompressoren oder Kolbenverdichtern / -kompressoren. Damit reduziert sich die Anzahl der zu installierenden Verdichter.
  • Die Verfügbarkeit der kombinierten Verdichteranlage wird in erster Linie durch die Arbeitsventile bestimmt. Diese Bauteile sind sehr leicht ersetzbar. Der Einsatz von Kolbenstangendichtungen und Kolbenringen entfällt und damit auch das Betriebsrisiko im Hochdruckbereich.
  • Durch den Verschleiß von Dichtelementen unterliegen Kolbenhochdruckstufen starken Veränderungen in der Thermodynamik. Mit dem Verschleiß sind Überströmverluste und Leckagen verbunden. Membranköpfe haben derlei Verluste nicht. Die vorausberechneten Druckszenarien bleiben über die Betriebsdauer konstant.
  • Insgesamt sind weniger Verdichtungsstufen notwendig, da die Membranstufen höhere Druckdifferenzen und Druckverhältnisse fahren können. Deshalb sind auch eine geringere Anzahl an Anlagebauteilen wie Wärmetauscher, Pulsationsdämpfer und Abscheider nötig.

Bisherige Anwendungsfelder

Hybrid-Kompressoren wurden bisher vor allem zur Abfüllung von Gasen eingesetzt. In Luftzerlegungsanlagen fallen die Produktgase meist mit relativ niedrigem Druck an. Aus diesem Grund war bei großen Mengen ein Kolbenverdichter als Booster notwendig, der dann eine Vielzahl von Membranmaschinen mit Vordruck versorgt.

Hybridmaschinen werden immer dann eingesetzt, wenn ölfreies Gas bei hohem Druck bereitgestellt werden muss. Membranverfahren und katalytisch gestützte Prozesse reagieren negativ auf die Benetzung von Oberflächen durch Schmieröl. Die Forderung nach absoluter Ölfreiheit (nahe 0 ppm) kann nur mit Kolben- oder Membranmaschinen gewährleistet werden.

Zukünftige Anwendungsfelder

Prinzipiell gilt, dass immer dann, wenn Gas öl frei auf einen Druck von mehr als 100 bar verdichtet werden muss, der Hybrid-Kompressor eine perfekte Lösung darstellt. Mit konstruktiven Maßnahmen kann eine Emissionsfreiheit erzeugt werden, die zukünftigen Umweltschutzregeln entspricht. Ein breites Anwendungsfeld findet der Hybrid-Kompressor daher in der Welt der Wasserstoffversorgung.

Rotationsverdichter können, wenn überhaupt, nur mit hohen Verlusten diese Gase verdichten. Damit sind Hybrid-Kompressoren die Lösung, um z. B. große Mengen Wasserstoff abzufüllen. Abfüllvorgänge sind beispielsweise Trailerbefüllungen für den reinen Gastransport oder Tankfüllungen für Fahrzeuge, die mit Brennstoffzellen betrieben werden. Darüber hinaus können Hybrid-Kompressoren als Tankstellenverdichter an CNG-Großtankstellen dienen oder als emissionsloser Rückverdichter für die Restgasbehandlung.

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