Simplex Air Supply2-7

Druckbooster

Druckbooster werden in der Pneumatik als Druckverstärker verwendet. Ihr Einsatz ist zum einen dann interessant, wenn es darum geht, in einer Anlage den Druck punktuell zu erhöhen. In solchen Fällen müssen dann nicht die ganze Anlage oder Anlagenabschnitte mit übermäßig hohem Druck versorgt werden. Dies würde zu deutlich höheren Betriebskosten führen.

Allerdings ist wichtig, dass Druckbooster kein Ersatz für Kompressoren sind! Bei Dauerbetrieb muss damit gerechnet werden, dass die Antriebskolben nach ca. 1000 bis 2000 Betriebsstunden verschlissen sind und vorsorglich ausgetauscht werden sollten.

Zum anderen bietet sich ein Druckbooster-Einsatz aber auch in mobilen Geräten – also in der Mobilpneumatik – an. Hier kann mit recht kleinen Kompressoren zunächst ein geringer Druck erzeugt und dann mit Hilfe des Boosters verstärkt werden.

Zwar benötigt der Druckbooster außer der Druckluft keine weitere Fremdenergie – hat dafür aber einen recht hohen Eigenluftverbrauch und deshalb eine weniger gute Energiebilanz. In pneumatischen Schaltungen wird der Druckbooster mit dem nebenstehenden Schaltsymbol dargestellt ( hier mit Druckregler ).

Die Druckbooster zählen zu den Doppelkolben-Druckübersetzern und können ausschließlich Luft verdichten.
In der Grundvariante besteht der Booster lediglich aus dem Doppelkolbensystem und dem Umschaltventil für eine kontinuierliche Arbeitsweise. Mit diesem Grundaufbau wird der Eingangsdruck automatisch verdoppelt – die Einstellung einer geringeren Druckverstärkung ist hier nicht möglich. Bei Druckboostern, die zusätzlich noch über einen Druckregler verfügen, kann die Druckverstärkung auf einen Wert unterhalb der Verdoppelung reduziert werden. In diesem Fall reduziert der Druckregler den Druck, der in den Außenkammern wirkt. Dieser ist für die erreichte Druckverstärkung entscheidend. Funktionsbedingt kann jedoch keine Druckverstärkung erreicht werden, die über einer Verdoppelung liegt.

Druckverstärkung in drei Schritten

Schritt 1

Der Betriebsdruck | 7 | belüftet über zwei Rückschlagventile | 5 | die Volumina 1 | 3 | und 4 | 2 | direkt und permanent.
Über das Umsteuerventil | 6 |wird das Volumen 3 | 4 | ebenfalls belüftet und Volumen 2 | 1 | entlüftet. Da nun Druck auf zwei Kolbenflächen gleichzeitig wirkt, steht mehr als die einfache Kolbenkraft zur Verfügung. Je nach Einstellung des Druckreglers steht insgesamt maximal die doppelte Kolbenkraft zur Verfügung.

Schritt 2

Die Kolben bewegen sich nach links und verdichten das Volumen 1.

Schritt 3
Das verdichtete Volumen verlässt nun über ein Rückschlagventil den Druckbooster am Ausgang.

Sobald die Kolbenstange die Endlage erreicht, wird das Umsteuerventil umgeschaltet. Das geschieht mit Hilfe eines Absatzes an der Kolbenstange. Dieser Absatz gibt eine Verbindung | 2 | von Volumen 1 zur Vorsteuerleitung | 3 | des Umsteuerventils frei. Die Detailabbildung zeigt einen Kolbenabsatz zum Öffnen der Verbindung zwischen verdichtetem Volumen und der Vorsteuerleitung des Umsteuerventils.

Das Anschließen des Speichervolumens | 1 | am Ausgang des Druckboosters ist eine Option, um die Pulsation des Boosters zu glätten. Wird so ein Volumen verwendet, so kann dieses parallel an den Betriebsdruck des Druckboosters angeschlossen werden. Auf diese Weise kann der Speicher mit dem Eingangsdruck befüllt werden und der Druckbooster muss lediglich die Differenz zwischen Ein- und Ausgangsdruck leisten. Bei der Verwendung von nicht rostfreien Speichern sollte zwischen dem Booster und dem Speicher ein Filter eingebaut werden, um eventuell entstehende Rostpartikel nicht in den Booster gelangen zu lassen.

Der Eigenluftverbrauch des Druckboosters entsteht durch das wechselseitige Befüllen der Kolben, durch die Verwendung eines kleinen Teils der verdichteten Luft zum Betätigen des Umsteuerventils und durch eine – allerdings sehr geringe – Leckage. Der Eigenverbrauch hängt vom gewählten Verstärkungsfaktor ab. Um eine Vorstellung der Größe zu bekommen, folgende Anhaltswerte:

Druckverstärkung 1: Luftmenge in/ Luftmenge out = 1,9
Druckverstärkung 2: Luftmenge in/ Luftmenge out = 2,2

Praktisch heißt das, dass etwa genauso viel Luft zum Betrieb des Druckboosters erforderlich ist, wie einem Verbraucher letztlich zur Verfügung stehen soll.

Ein Blick auf die Kräfteverhältnisse des Druckboosters vertieft das Verständnis zum Vorgang der Druckverstärkung.

In der Abbildung wirken zunächst die Kolbenkräfte F1 und F2 durch den Betriebsdruck. Da ihr Betrag gleich, ihre Wirkungsrichtung aber entgegengesetzt ist, heben sie sich gegenseitig auf. Zusätzlich liegt aber der Ausgangsdruck des Reglers an der Außenseite eines Kolbens an – bei ganz aufgedrehtem Regler ist das auch der maximale Betriebsdruck.

Mit diesen Überlegungen lässt sich folgende Gleichung aufstellen (nach rechts entspricht positivem Richtungssinn):

F₁ = p₁ × A₁ / F₂ = p₂ × A₂ / F₃ = p_R × A₂

Gleichung für das Kräftegleichgewicht: F₂ - F₁ - F₃ = 0 bzw. F₂ - F₁ = F₃

oder mit den Drücken und Flächen: p₂ × A₁ - p₁ × A₁ = p_R × A₂

Das Verhältnis der Kolben- und der kolbenstangenseitigen Fläche ergibt sich aus:

A₂/ A₁ = D²/ (D² - d²) × A₁ oder vereinfacht: A₂/ A₁ = KV × A₁

Nach Umstellen und Einsetzen ergibt sich folgende allgemeine Gleichung: p₂ = p_R × KV + p₁ Verwendete Größen:

A₁ = kolbenstangenseitige Flächen
A₂ = Kolbenfläche
p₁ = Betriebsdruck
p₂ = verstärkter Druck
p_R = Ausgangsdruck
D = Kolbendurchmesser
d = Kolbenstangendurchmesser
KV = Kolbenverhältnis D² / ( D² - d² )