Wirtschaftlich zum Verbraucher

Druckluft ist vor allem dann ein wirtschaftlicher Energieträger, wenn ihre Erzeugung, Aufbereitung und Verteilung so gut wie möglich aufeinander abgestimmt sind. Dazu gehören neben der richtigen Planung und Ausführung der Druckluftstation selbst auch die angemessene Dimensionierung und Installation des Leitungsnetzes. Nur mit Beachtung dieser Faktoren kann eine effiziente Anlage realisiert werden.

Grundsätzlich gibt es zwei Gesichtspunkte, unter denen die Installation eines Druckluftnetzes betrachtet werden kann: Handelt es sich um eine Neuinstallation oder um die Sanierung eines bereits bestehenden Netzes. Je nachdem, ob es sich um eine komplette Neuplanung des Netzes handelt oder ob ein bereits bestehendes Druckluftnetz saniert werden soll, gibt es unterschiedliche Punkte zu berücksichtigen.

Schwerpunkt Sanierung.
Die Sanierung wird dann relevant, wenn Betriebe über ein veraltetes oder mangelhalft gewartetes Rohrleitungsnetz verfügen. Ist dies der Fall, können Jahr für Jahr Tausende Euro buchstäblich in die Luft geblasen werden, weil der Energiebedarf z. B. durch Leckagen in die Höhe getrieben wird. Wer diesen Mangel beheben möchte, hat verschiedene Ansatzpunkte.

Grundvoraussetzung: trockene Druckluft
Zunächst sollte vor Beginn einer Sanierung sichergestellt sein, dass keine feuchte Druckluft in das Netz eingespeist wird, da sonst alle Sanierungsarbeiten problematisch werden würden und ggf. wenig Erfolg hätten. Vor Beginn einer Sanierung sollte daher auf jeden Fall eine zentrale Trocknungseinheit, wie ein Kältetrockner, verfügbar sein.

Leckagen ermitteln und beseitigen
Sanierungsmaßnahmen führen natürlich nur dann zum optimalen Ergebnis, wenn auch die Leckagen im Druckluftnetz weitestgehend beseitigt werden. Bevor man sich auf die Suche nach einzelnen undichten Stellen im Rohrleitungssystem macht, ist das gesamte Ausmaß der Leckagen zu bestimmen. Dafür gibt es eine einfache Methode: Zuerst werden alle Druckluftverbraucher ausgeschaltet und dann die Einschaltzeiten des Kompressors während eines bestimmten Zeitraums gemessen. Auf Grundlage dieser Messung errechnet sich die Leckagemenge nach folgender Formel:

Legende:
VL = Leckagemenge (m³/min)
VK = Volumenstrom des Kompressors
(m³/min)
∑t_x = t1 + t2 + t3 + t4 + t5 (Zeit, in der der Kompressor belastet lief in Min.)
T = Gesamtzeit (min)

Ermitteln der Leckagen an den Verbrauchern
Um Leckagen an dezentralen Druckluftverbrauchern zu ermitteln, schließt man zunächst alle pneumatischen Werkzeuge, Maschinen und Geräte an und misst die Summe aller Leckagen. Dann schließt man die Absperrventile vor den Anschlüssen der Verbraucher und misst die Leckagen im Rohrleitungsnetz. Die Differenz aus Gesamt- und Netzleckagen ergibt schließlich die Verluste an den Luftverbrauchern, ihren Armaturen und Fittings.
Erfahrungsgemäß befinden sich etwa 70 % der Leckagen in den letzten Metern, also an den Endabnahmestellen des Druckluftnetzes. Diese Endstellenleckagen lassen sich mithilfe von Seifenlauge oder Spezialsprays genau orten. Hauptrohrleitungen weisen gewöhnlich nur dann zahlreiche und große Leckagen auf, wenn etwa ein ursprünglich feuchtes Netz, das mit alten Hanfdichtungen ausgestattet ist, mit trockener Druckluft betrieben wird und diese Dichtungen dann nach einiger Zeit austrocknen. Zum genauen Orten von Leckagen im Hauptrohrleitungsnetz empfiehlt sich der Einsatz eines Ultraschallgeräts.

Schwerpunkt Neuplanung
Bei einer Neuplanung ist vorab zu klären, ob die Druckluftversorgung zentral oder dezentral aufgebaut sein soll. Für kleinere und mittlere Betriebe eignet sich meist eine dezentrale Versorgung.

Das Netz richtig dimensionieren
Als erstes gilt es bei einer Neuplanung das Netz richtig zu dimensionieren. Dazu sollte eine Berechnung gehören. Ihre Grundlage ist ein maximaler Druckabfall von 1 bar zwischen Kompressor und Druckluftverbrauchern inkl. Schaltdifferenz des Kompressors und üblicher Standard- Druckluftaufbereitung (Kältetrocknung).
Im Einzelnen rechnet man mit folgenden Druckverlusten:

• Hauptleitung: 0,03 bar
• Verteilungsleitung: 0,03 bar
• Anschlussleitung: 0,04 bar
• Trockner: 0,20 bar
• Wartungseinheit und Schlauch: 0,50 bar
• ingesamt maximal: 0,80 bar

Diese Aufstellung zeigt, wie wichtig es ist, die Druckverluste in den einzelnen Leitungsabschnitten zu berechnen. Dabei sind auch Formteile und Absperreinheiten zu berücksichtigen. Es genügt nicht, die geraden Meter Rohr in eine Berechnungsformel oder -tabelle einzusetzen. Es ist vielmehr die strömungstechnische Länge der Rohrleitungen zu ermitteln.
Normalerweise hat man jedoch bei Beginn der Planung noch keinen Überblick über die Gesamtheit aller Formteile und Absperreinheiten. Deshalb berechnet man die strömungstechnischen Rohrlängen, indem man die anzusetzenden geraden Meter Rohr mit dem Faktor 1,6 multipliziert. Die Rohrleitungsdurchmesser lassen sich dann anhand gängiger Formeln oder Auslegungsdiagramme auf einfache Weise ermitteln. Um die Auslegung zu erleichtern, bietet beispielsweise das Unternehmen Kaeser eine Tollbox unter www.kaeser.de/service/wissen/rechner.

Rohrleitungen energiesparend verlegen
Nach der Dimensionierung rücken die Rohrleitungen selbst in den Fokus. Wichtige Kriterien sind hier: die Art der Verlegung, Material, die Art der Verteilung der Druckluft im Betrieb und die Methodik der Verbindung der Rohre untereinander und der Komponenten.
Um Energie einzusparen, ist das Rohrleitungssystem so gerade wie möglich zu verlegen. Biegungen, etwa beim Umgehen von Stützpfeilern, lassen sich vermeiden, indem man die Rohrleitung in einer geraden Linie neben dem Hindernis verlegt. Scharfkantige, hohe Druckverlust verursachende 90-Grad-Winkel sind ebenfalls leicht durch groß dimensionierte 90-Grad-Bogen ersetzbar. Statt der noch häufig anzutreffenden Wasserabsperreinheiten sollten Kugelhähne oder Klappenventile mit vollem Durchgang eingesetzt werden.
Im Feuchtrohrleitungsbereich, bei einer modernen Druckluftstation also lediglich im Kompressorenraum, sind die Zu- und Abgänge von der Hauptleitung nach oben oder zumindest seitlich zu verlegen. Die Hauptrohrleitung sollte ein Gefälle von zwei Promille haben. Am tiefsten Punkt dieser Leitung ist eine Kondensatabscheidemöglichkeit vorzusehen. Im Trockenbereich dagegen können die Leitungen horizontal verlegt werden und die Rohrleitungsabgänge direkt nach unten führen.
Im Hinblick auf die Materialeigenschaften lässt sich keine bestimmte Empfehlung geben, lediglich in den Kompressoren selbst sollten wegen der hohen thermischen Belastungen immer Metall-Leitungen eingesetzt werden. Auch die Anschaffungspreise eignen sich nicht als alleinige Entscheidungshilfe: Verzinkte Rohre, Kupfer- oder Kunststoffrohre haben etwa das gleiche Preisniveau, werden Werkstoff- und Installationskosten zusammengerechnet.

Die richtige Verbindungstechnik wählen
Wichtig ist es jedoch, die richtige Verbindungstechnik zu wählen. Rohrleitungsteile sollten entweder mit Schweißen oder Kleben oder mit Verschrauben und Kleben miteinander verbunden werden. Wenn auch die Lösbarkeit darunter leidet, so kann man doch sicher sein, dass derartige Verbindungen mögliche Leckagen auf ein Minimum reduzieren.

Druckluft effizient verteilen
Ist die Dimensionierung und das Material der Rohre festgelegt, geht es als nächstes darum zu wählen, wie die Druckluft im Betrieb verteilt werden soll. Welche der drei Arten – Stichleitung, Ringleitung, Netzwerk – richtig ist, hängt von den betrieblichen Gegebenheiten ab.
Stichleitung: Eine Stichleitung mit Abgängen zu den einzelnen Druckluftverbrauchern zu installieren, ist verhältnismäßig einfach. Die zu verlegende Rohrlänge ist zwar vergleichsweise gering, aber sie braucht ausreichend Transportkapazität für den gesamten Luftverbrauch. Das bedeutet, ihr Querschnitt muss verglichen mit Ringleitung oder Netzwerk wesentlich größer sein. Auch die Anschlussleitungen zu den Verbrauchern fallen wegen der weiteren Wege länger aus und sind deshalb größer zu dimensionieren. Da es zudem keine Möglichkeit gibt, Teile des Rohrleitungssystems für Erweiterungs- oder Sanierungsarbeiten abzusperren, eignen sich Stichleitungssysteme meist nur für kleine Betriebe.
Ringleitung: Ringleitungen haben trotz höherem Installationsaufwand gegen über Stichleitungen einen entscheidenden Vorteil: Sind durchweg Verbraucher mit gleich großem Druckluftbedarf vorhanden, lassen sich Rohrleitungslängen und -volumina um die Hälfte kleiner dimensionieren. Daher genügen kleinere Rohrquerschnitte für gleiche Transportkapazität. Die kurzen Anschlussleitungen werden nur selten größer ausgelegt als DN 25. Eine hinreichende Zahl von Absperreinheiten ermöglicht das Stilllegen einzelner Leitungsabschnitte für Sanierungs- und Erweiterungsarbeiten bei laufendem Betrieb.
Netzwerk: Für großflächig strukturierte Betriebe empfiehlt sich ein Rohrleitungsnetz – also eine mit Längs- und Querverbindungen (Rohrmaschen) zu einer Netzstruktur erweiterte Ringleitung. Zwar ist der Installationsaufwand hier am größten, doch die Vorteile überwiegen: Dank der Netzstruktur lassen sich große Werkhallen zuverlässig und ener­gieeffizient mit Druckluft versorgen, ohne dass die Abmessungen der Rohrleitungen ausufern.

Anschluss der Hauptleitung(en)
Die Hauptleitung des Druckluftsystems verbindet die Verteilerleitungen der einzelnen Betriebsbereiche (Gebäude) mit der Druckluftstation (Erzeugung). Innerhalb der Druckluftstation sind die einzelnen Komponenten (Kompressoren, Trockner etc.) grundsätzlich von oben aus mit der Hauptleitung zu verbinden. Ab Rohrweite DN 100 können sie auch seitlich angeschlossen werden.

Anschluss der Kompressoren
Um keine Vibrationen zu übertragen, müssen die Kompressoren schwingungselastisch mit dem Rohrleitungsnetz verbunden werden. Für Rohrweiten < DN 100 eignen sich Schlauchverbindungen. Zwischen Schlauch und erster Rohrkrümmung wird eine Befestigung angebracht, die auftretende Kräfte aufnimmt und so deren Übertragung auf das Rohr verhindert. Für Rohrweiten > DN 100 müssen statt eines Schlauches Axialkompensatoren für den schwingungselastischen Anschluss des Kompressors an das Rohrleitungsnetz verwendet werden.

Kondensat sicher entfernen
Zuverlässiges Entfernen des anfallenden Kondensats ist eine der Grundvoraussetzungen für optimierte Betriebssicherheit und Verfügbarkeit der Druckluftstation. Hier gilt es, insbesondere beim Verlegen der Kondensatleitungen, Fehler zu vermeiden.
Wassersack: Trotz moderner Ableitungstechnik werden oft die Anschlussleitungen an das Kondensat-Aufbereitungssystem falsch verlegt. Grundsätzlich gilt: Kondensatableiter sollten beidseitig mit je einem Kugelhahn absperrbar sein, damit sie im Wartungsfall problemlos aus dem System entfernt werden können. Der Anschluss an die Sammelleitung muss mindestens 0,5“ betragen. Nur so lässt sich unnötiger Staudruck vermeiden. Zudem sollten die Kondensatleitungen von oben an die Sammelleitung angeschlossen werden, damit sich die Ableitungsstellen nicht gegenseitig beeinflussen können. In jedem Fall ist die Kondensat-Sammelleitung mit freiem Gefälle zu verlegen. Sie sollte außerdem drucklos sein. Nur in eine solche Leitung dürfen Kondensat­ableiter verschiedener Systemkomponenten (Zyklonabscheider, Druckluftbehälter, Kältetrockner, Druckluftfilter) mit unterschiedlichem Druckniveau einleiten. Ist dies nicht gegeben, so müssen verschiedene Anschlussstellen am Kondensat-Aufbereitungsgerät („Aquamat“) benutzt werden.

Autor: Dipl.-Ing. (FH) Erwin Ruppelt, leitender Projektingenieur;
Dipl. Betriebswirtin Daniela Koehler,
Pressesprecherin, beide Kaeser Kompressoren SE
Bilder: Kaeser Kompressoren SE

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