Die Auswahl und Dimensionierung der Geräte zur Druckluftaufbereitung erfolgt anhand der Zielkriterien
· Qualität,
· Quantität und
· Druck.
Qualität
Die Qualität der Druckluft ist unbedingt auf die Erfordernisse des Endverbrauchers und aller dazwischenliegenden Aufbereitungs- Mess- und sonstigen Geräte abzustimmen.
Um Missverständnisse zwischen Kunde und Lieferant möglichst zu vermeiden, sollte sich auf der Basis der Definitionen der Qualitätsklassen verständigt werden.
Für sogenannte "Standard- oder Normalanwendungen" für die Pneumatik in der Automatisierung wird die Qualitätsklasse 5.4.2 empfohlen. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht zu weiteren Empfehlungen, die aber auf jeden Fall mit dem Kunden abzusprechen sind.
| Anwendung | Partikel | Wasser | Öl |
|---|---|---|---|
| Pneumatikzylinder Präzisions-Druckregler | 5 | 4 | 2 |
| allgemeine Werkstattluft Gießereimaschinen | 4 | 4 | 5 |
| Werkzeugmaschinen Luftmotoren | 4 | 3 | 5 |
| Verpackungsmaschinen | 4 | 3 | 3 |
| pneumatische Sensorik | 3 | 3 | 3 |
| Luftlager Instrumentenluft | 2 | 2 | 3 |
| Tranport von Lebensmitteln | 2 | 2 | 1 |
| Luftlager Instrumentenluft | 2 | 2 | 3 |
| Filmverarbeitung, Optik Reinraum | 1 | 1 | 1 |
Besonders wichtig ist die Bestimmung der Klassen, wenn es um feiner gefilterte Luft geht. Die Angaben der erreichbaren ISO-Klassen finden sich im Katalog im Teil der Kurzbeschreibungen der Filter.
Quantität
Hier geht es um die erforderlichen Durchflüsse. Zunächst ist wichtig zu wissen, dass alle Durchflüsse immer in Normal-Liter angegeben sind, sich also auf entspannte Luft beziehen.
Um die erforderlichen Durchflüsse zu bestimmen, müssen die Art und Anzahl der Verbraucher und auch die Leckverluste berücksichtigt werden.
Zu einigen Verbrauchern:
Da die Bestimmung der benötigten Durchflussmengen nicht immer ganz einfach ist und Herstellerangaben häufig fehlen, sollen hier einige Werte zur Verfügung gestellt werden. Alle Werte sind Erfahrungswerte aus recht verschiedenen Quellen (Internet, Bücher etc.) und sind bitte nur als Richtwerte zu verstehen.
Luftblas-Pistolen mit zylindrischen Düsen
| Düsen - ø in mm | Arbeitsdruck | ||||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
| 0,5 | 8 | 10 | 12 | 15 | 18 | 22 | 28 |
| 1,0 | 25 | 35 | 45 | 55 | 65 | 75 | 87 |
| 1,5 | 60 | 75 | 95 | 110 | 130 | 150 | 170 |
| 2,0 | 105 | 145 | 180 | 220 | 250 | 290 | 330 |
| 2,5 | 175 | 225 | 280 | 325 | 380 | 430 | 480 |
| 3,0 | 230 | 370 | 400 | 465 | 540 | 710 | 790 |
Farbspritz-Pistolen mit Flach- und Breitstrahldüsen
| Düsen - ø in mm | Arbeitsdruck | ||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| 0,5 | 100 | 115 | 135 | 160 | 185 |
| 0,8 | 110 | 130 | 155 | 180 | 225 |
| 1,0 | 125 | 150 | 175 | 200 | 240 |
| 1,2 | 140 | 165 | 185 | 210 | 250 |
| 1,5 | 160 | 180 | 200 | 225 | 260 |
| 1,8 | 175 | 200 | 220 | 250 | 280 |
| 2,0 | 185 | 210 | 235 | 265 | 295 |
| 2,5 | 210 | 230 | 260 | 300 | 340 |
| 3,0 | 230 | 250 | 290 | 330 | 375 |
Farbspritz-Pistolen mit Rundstrahldüsen
| Düsen - ø in mm | Arbeitsdruck | ||
| 2 | 3 | 4 | |
| 0,5 | 75 | 90 | 105 |
| 0,8 | 85 | 100 | 125 |
| 1,0 | 95 | 115 | 135 |
| 1,2 | 110 | 125 | 150 |
| 1,5 | 120 | 140 | 155 |
Beim (Be-)Strahlen von Werkstücken mit Luft, werden die Düsen so ausgelegt, dass die Luft eine extrem hohe Austrittsgeschwindigkeit hat. Damit entsteht aber auch ein relativ hoher Luftverbrauch.
Strahldüsen
| Düsen - ø in mm | Arbeitsdruck | ||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| 3 | 300 | 380 | 470 | 570 | 700 |
| 4 | 450 | 570 | 700 | 840 | 1000 |
| 5 | 640 | 840 | 1050 | 1270 | 1500 |
| 6 | 920 | 1250 | 1600 | 1950 | 2200 |
| 8 | 1800 | 2250 | 2800 | 3350 | 4000 |
| 10 | 2500 | 3200 | 4000 | 4800 | 6000 |
Zylinder
Während bei einigen Verbrauchern, wie z.B. Greifern, der Luftverbrauch je Hub bzw. Doppelhub angegeben wird, ist das bei den Zylindern nicht üblich. Hier ist der Luftverbrauch mit folgender Gleichung zu errechnen:
Q = ( D2 - d2 ) × π × H × p / ( 4 × 10-6 ).
D Kolbendurchmesser in mm
d Kolbenstangendurchmesser in mm
H Hub in mm
p Arbeitsdruck in bar
Der Luftbedarf ist bei Zylindern mit einseitiger Kolbenstange für Vor- und Rückhub unterschiedlich, da für einen Hub das Volumen der Kolbenstange abzuziehen ist. Deshalb muss die Gleichung zweimal benutzt und die Ergebnisse für Vor- und Rückhub addiert werden.
Um eine realistischere Berechnung des Bedarfs zu erreichen, sollte man davon ausgehen, dass nicht alle Verbraucher gleichzeitig und durchgehend Luft verbrauchen. Deshalb kann man zwei weitere Faktoren einbeziehen, die Einschaltdauer und den Gleichzeitigkeits-Faktor.
Einschaltdauer
ED in % = Einsatzzeit in Minuten / Bezugszeit in Minuten
Bei der Bezugszeit könnte es sich z.B. um eine Stunde handeln.
Gleichzeitigkeitsfaktor
x Anzahl der Verbraucher
y Faktor, dimensionslos
Der realistische Verbrauch ergibt sich dann aus der Summe aller ermittelten Verbräuche. Dabei wird die Einschaltdauer mit jedem einzelnen Verbraucher multipliziert, der Gleichzeitigkeitsfaktor mit dem ermittelten Gesamtergebnis aller Verbraucher.
Praktischer Weise kann man sich dazu eine Tabelle anfertigen:
| Verbraucher | Druck in bar | Anzahl | Einzelverbrauch | Einschaltdauer in % | Gesamtverbrauch |
|---|---|---|---|---|---|
| Zylinder 1 | 6 | 2 | 120 | 30 | 72 |
| Düse 15 | 2 | 3 | 70 | 100 | 210 |
| ... | ... | ... | ... | ... | ... |
| Gleichzeitigkeitsfaktor | 0,94 | ||||
| Summe in l/min | 265,08 | ||||
Schließlich müssen aber auch einige Zuschläge für Leckageverluste, ein wenig Reserve und eben auch ein Sicherheitsfaktor berücksichtigt werden. Die Abschätzung dieser Faktoren sollte in enger Abstimmung mit dem Kunden vorgenommen werden, weil dieser die Gegebenheiten am besten kennen sollte. Übermäßig hohe Faktoren kosten nur unnötig viel Geld beim Betrieb der Anlage.
Noch ein Wort zu Durchflussangaben in den Katalogen der Hersteller:
Bei Trocknern sind die Durchflüsse auch vom zu erreichenden Taupunkt abhängig. Hier ist unbedingt darauf zu achten, dass der DRUCK-Taupunkt entscheidend ist. Wie einige andere Hersteller auch, gibt Festo beispielsweise beim LDF aber den atmosphärischen Taupunkt an. Für die Auslegung ist hier eine Umrechnung notwendig. Dazu kann das dargestellte Diagramm verwendet werden.
x Atmosphärischer Taupunkt in °C
y Drucktaupunkt in °C
Druck
Um beim Endverbraucher den richtigen Druck bereitzustellen, muss der entstehende Druckabfall durch die Schlauchlänge, Leitungsführung (Verteiler, Radien etc.), Schlauchdurchmesser und auch die Verluste von Geräten zur Aufbereitung berücksichtigt werden. Bei den Geräten sind dies hauptsächlich die Filter.
Moderne und technisch einwandfreie Anlagen "leiden" immer unter einem gewissen Druckverlust.
Erfahrungswerte zeigen, dass diese Verluste etwa folgende Größen annehmen:
· Hauptleitungen: 0,04 bar
· Verteilerleitungen: 0,04 bar
· Anschlussleitungen: 0,03 bar.
Gesamthaft kann man also mit etwa 0,1 bar Druckverlust kalkulieren, der aber bei den meisten Anwendungen vernachlässigbar ist.
Da Druckverluste auch sehr wesentlich mit dem Schlauch- bzw. Leitungsquerschnitt zusammenhängen, ist die Bestimmung der optimalen Schlauch- oder Rohrdurchmesser recht wichtig. Zur Bestimmung der Durchmesser aber auch der zu erwartenden Verluste kann das folgende Diagramm verwendet werden.
Im Standardfall liegen die Leitungslänge, der notwendige Durchfluss, der Arbeitsdruck und auch die Vorgabe des maximalen Druckverlustes als Eingangsdaten vor. Damit kann man dann in der entsprechenden Reihenfolge, wie im Diagramm angedeutet, die Linien zur Bestimmung des Durchmessers ziehen. Natürlich kann man auch mit einem vorgegeben Durchmesser den zu erwartenden Druckverlust oder andere Größen bestimmen.
Dieses Diagramm liefert leider keine Werte für Schlauch- bzw. Rohrdurchmesser unterhalb 20mm. Hier kann man jedoch Empfehlungen aussprechen, allerdings berücksichtigen diese Werte keine Verluste durch die Art der Leitungsführung (Winkel, Verzweigungen etc.). Dies ist ein äußerst komplexes Thema und noch nicht in notwendigem Umfang aufgearbeitet.
Zur Berechnung der Querschnitte unter 20 mm ist es am einfachsten, folgende Berechnungsgleichung zu benutzen:
Di = ( ( Q1,85 × L × 0,2315 ) / ( Δp × ( pmax + 1) ) )0,2
Q erforderlicher Durchfluss in l/min
L Leitungslänge in m
Δp zulässiger Druckabfall in bar
pmax Arbeitsdruck in bar
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass die richtige Auslegung auf die möglichst realistischen Bedarfe gerade bei der Verwendung von Druckluft sehr wichtig ist – oft jedoch unterschätzt wird.
Entgegen der Meinung aus "vergangenen" Tagen, ist die Druckluft ein recht teures Antriebsmedium. Anschaffung, Betriebskosten und Wartung führen zu spürbaren Kosten.