Druckluft-Verbrauch und Dimensionierung

Das zentrale Problem der Pneumatik ist die Kompressibilität der Luft. Anders als Hydrauliköl, das praktisch unzusammendrückbar ist, ändert Luft ihr Volumen stark mit dem Druck. Ein Liter Luft im Netz unter 7 bar ist beim Entspannen auf Atmosphäre rund das Achtfache wert. Genau diese Eigenschaft macht jede Verbrauchsrechnung anfällig für Fehler – und sie ist der Grund, warum Bauteilgrößen sorgfältig aufeinander abgestimmt werden müssen.

Damit Verbrauchsangaben überhaupt vergleichbar sind, rechnet man sie auf einen festen Bezugszustand um. Das Normvolumen ist das Volumen, das eine bestimmte Luftmenge bei genormten Bedingungen einnimmt. Der klassische Normzustand ist mit 0 °C und 1013 mbar definiert. In der industriellen Pneumatik ist allerdings ein abweichender Bezugszustand verbreitet, der sich an typischen Betriebsbedingungen orientiert: 20 °C und 1 bar absolut. Welcher Bezug gilt, steht in den Datenblättern der Hersteller – und genau darauf muss man achten, weil sonst Liefermenge des Kompressors und berechneter Bedarf nicht zueinander passen.

In der Praxis wird die Luftmenge meist in Normliter (Nl) oder Normkubikmeter (Nm³) angegeben, der Volumenstrom entsprechend in Nl/min oder Nm³/h. Das vorangestellte „N“ markiert, dass es sich um umgerechnetes Volumen im Bezugszustand handelt, nicht um das tatsächliche Volumen unter Betriebsdruck.

Der Luftverbrauch eines Zylinders ist das Luftvolumen, das er pro Hub aus dem Netz zieht – umgerechnet auf den Bezugszustand. Es setzt sich aus zwei Teilen zusammen: dem geometrischen Volumen, das der Kolben überstreicht, und dem Verdichtungsverhältnis, das berücksichtigt, dass diese Luft vorher auf Betriebsdruck verdichtet wurde.

Zuerst das geometrische Volumen. Beim Ausfahren schiebt der Kolben mit seiner vollen Fläche, beim Einfahren nur mit der um die Kolbenstange verringerten Ringfläche.

Das verdichtete Volumen, das der Zylinder im Betrieb einnimmt, ist Fläche mal Hub. Damit man es mit Netz- und Liefermengen vergleichen kann, muss es auf den Bezugszustand hochgerechnet werden. Hier kommt das Verdichtungsverhältnis ins Spiel: das Verhältnis von Absolutdruck im Zylinder zum Bezugsdruck.

Der entscheidende Punkt steckt in der Klammer: Hier muss der Absolutdruck stehen, also Betriebsüberdruck plus Umgebungsdruck. Das Manometer an der Wartungseinheit zeigt nur den Überdruck gegenüber der Atmosphäre. Wer diesen Manometerwert direkt einsetzt und den Umgebungsdruck vergisst, rechnet die Anlage systematisch zu klein. Bei 6 bar Überdruck ist der Unterschied bereits ein Siebtel des Verbrauchs – aus 6 wird in der Rechnung fälschlich 6 statt richtig 7 im Zähler.

Bei einem doppeltwirkenden Zylinder fallen pro Doppelhub beide Volumina an: einmal die Kolbenfläche beim Ausfahren, einmal die Ringfläche beim Einfahren. Bei einem einfachwirkenden Zylinder zählt nur die Druckseite, die Rückstellung übernimmt eine Feder.

Der Verbrauch pro Hub allein sagt noch nichts über die Belastung des Netzes. Entscheidend ist, wie oft ein Zylinder arbeitet. Multipliziert man das Normvolumen je Hub mit der Hubfrequenz, ergibt sich der Volumenstrom.

In einer realen Anlage arbeiten mehrere Verbraucher. Ihr Bedarf wird zunächst aufsummiert. Allerdings laufen selten alle gleichzeitig auf Volllast. Deshalb wird the Summenbedarf mit einem Gleichzeitigkeitsfaktor multipliziert, der zwischen 0 und 1 liegt und abschätzt, welcher Anteil im Mittel tatsächlich gleichzeitig zieht.

Zusätzlich kommen Zuschläge: Jede Anlage hat Leckage an Verschraubungen, Ventilen und Schläuchen, und für künftige Erweiterungen plant man eine Reserve ein. Beides wird über einen Zuschlagfaktor berücksichtigt.

Ein Zuschlag von z = 0,2 bedeutet 20 % Aufschlag. Übliche Werte für Leckage liegen bei gut gewarteten Anlagen im einstelligen Prozentbereich, bei vernachlässigten Anlagen deutlich höher. Die Reserve für Erweiterungen hängt vom Betrieb ab.

Für die Umrechnung in den oft gebräuchlichen Stundenwert gilt: 1 Nl/min entspricht 0,06 Nm³/h.

Der Druckluftbehälter ist der Puffer zwischen Kompressor und Netz. Er gleicht kurzzeitige Verbrauchsspitzen aus, hält den Druck stabil und begrenzt vor allem die Schalthäufigkeit des Kompressors. Ein zu kleiner Behälter zwingt den Kompressor zu ständigem Ein- und Ausschalten – das verschleißt Motor und Schütz und ist energetisch ungünstig.

Die nötige Behältergröße hängt davon ab, wie viel Luft nachgefördert werden muss, wie oft der Kompressor pro Stunde höchstens schalten darf und wie groß die zulässige Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausschaltdruck ist.

Auch hier zählt die Druckdifferenz als Differenz zweier Drücke – da beide gleich bezogen sind, hebt sich der Umgebungsdruck heraus, und man kann mit den Manometerwerten von Ein- und Ausschaltdruck rechnen. Wichtig ist nur, beide konsistent zu nehmen. Bei der Liefermenge q_K hingegen gilt wieder der Bezugszustand.

Je größer die zulässige Druckdifferenz und je größer der Behälter, desto seltener schaltet der Kompressor. In der Praxis liegt die zulässige Schalthäufigkeit kleinerer Kolbenkompressoren bei etwa 10 bis 30 Schaltungen pro Stunde, bei größeren Maschinen niedriger.

Eine zu dünne Leitung wirkt wie eine Drossel: Je höher der Volumenstrom, desto stärker fällt der Druck über der Leitungslänge ab. Kommt zu wenig Druck am Zylinder an, wird er kraftlos und langsam. Deshalb wird die Leitung so dimensioniert, dass der Druckabfall über die gesamte Strecke einen zulässigen Wert nicht überschreitet – üblich sind in der Praxis maximal etwa 0,1 bar im Hauptnetz.

Vier Größen bestimmen den Druckabfall: der Volumenstrom, die Leitungslänge, der Innendurchmesser und der Betriebsdruck. Eine exakte Berechnung über die Strömungsmechanik ist aufwendig. In der Praxis und Ausbildung greift man stattdessen zum Nomogramm zur Rohrweitenbestimmung – einem Diagramm, in dem man die bekannten Größen einträgt und die nötige Nennweite abliest.

Die Ablesung läuft in festen Schritten:

• Schritt 1: Volumenstrom q auf der entsprechenden Achse markieren
• Schritt 2: Leitungslänge L auf ihrer Achse markieren
• Schritt 3: beide Punkte verbinden, Schnittpunkt mit der Hilfslinie bestimmen
• Schritt 4: vom Schnittpunkt über Betriebsdruck und zulässigen Druckabfall zur Durchmesser-Achse weiterziehen
• Schritt 5: nächstgrößere genormte Nennweite wählen

Wichtig ist, die Leitungslänge nicht nur als gerade Strecke zu nehmen. Jeder Bogen, jedes T-Stück und jedes Ventil bremst die Strömung wie ein zusätzliches Rohrstück. Diese Einbauten werden über eine äquivalente Rohrlänge berücksichtigt: Man schlägt der geraden Länge einen Längenzuschlag pro Einbauteil zu und rechnet mit dieser größeren Gesamtlänge.

Der zulässige Druckabfall wird oft als Prozentsatz des Betriebsdrucks angegeben. Der folgende Rechner setzt diesen Prozentwert in einen absoluten Druckabfall um.

Am Ende laufen alle vorigen Größen zusammen. Der Kompressor muss mindestens so viel liefern wie der Gesamt-Luftbedarf der Anlage – mit etwas Reserve, damit er nicht dauerhaft an der Grenze arbeitet.

Ein wichtiger Punkt ist die Einschaltdauer. Kolbenkompressoren sind oft nicht für Dauerbetrieb ausgelegt, sondern für Aussetzbetrieb mit einer bestimmten Einschaltdauer, etwa 60 %. Das heißt, der Kompressor darf höchstens diesen Anteil der Zeit laufen. Die Liefermenge im Datenblatt gilt für den Lauf – wer eine Maschine an ihre Einschaltdauergrenze bringt, sollte für den Dauerbedarf eine entsprechend größere Maschine oder einen Schraubenkompressor wählen.

Nicht zu unterschätzen sind Leckageverluste. Undichtigkeiten ziehen rund um die Uhr Luft, auch wenn keine Maschine produziert. In schlecht gewarteten Netzen geht ein erheblicher Teil der erzeugten Druckluft ungenutzt verloren – das treibt die Energiekosten, weil Druckluft eine der teuersten Energieformen im Betrieb ist. Ein Großteil der Lebenszykluskosten eines Kompressors entfällt auf Strom, nicht auf die Anschaffung. Schon das Absenken des Netzdrucks um wenige Zehntel bar spart spürbar Energie.