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Luftkompressor [1]

[248] Luftkompressor, Arbeitsmaschine zur Verdichtung der atmosphärischen Luft oder irgend eines Gases, wie z.B. Leuchtgas, oder der Dämpfe irgend einer Flüssigkeit, z.B. Kohlensäure, Ammoniak, schweflige Säure u.s.w. Dieselbe wird ohne Ausnahme als Hubmaschine (s.d., Bd. 5, S. 143) ausgeführt und entweder einfach oder doppelt wirkend, ein- oder mehrzylindrisch, im letzten Falle häufig nach dem Verbundsystem gebaut (Verbundkompressor). Bezüglich der in den Kompressoren zur Anwendung kommenden Abschlußorgane unterscheidet man Ventil- und Schieberkompressoren; bezüglich der Art der zur Anwendung gelangenden Wasserkühlung trockene Kompressoren, die nur mit einer Mantelkühlung versehen sind, halbnasse Kompressoren oder Kompressoren mit Einspritzkühlung und nasse Kompressoren oder solche mit Wassersäule im Zylinder. Besondere Eigentümlichkeiten zeigen ferner die Kompressoren mit Druckausgleichvorrichtung und diejenigen mit gesteuerten Ventilen, Klappen oder Schiebern. Einzylindrische Kompressoren finden meist nur bis etwa 7 Atmosphären Ueberdruck Anwendung; für höhere Drücke wird die sogenannte mehrstufige Kompression in zwei oder mehreren Zylindern ausgeführt. Der Antrieb der Luftkompressoren erfolgt bei kleineren Ausführungen durch Transmission (Riemen- oder Seiltrieb), bei größeren fast immer durch eine entweder in der Verlängerung des Luftzylinders oder seitlich neben demselben liegende Dampfmaschine, zuweilen auch durch Turbinen oder Wasserräder und durch Elektromotore.

Die Wirkungsweise der gegenwärtig fast nur noch doppelt wirkend gebauten Kompressoren ist die, daß auf der einen Zylinderseite während des Aushubes des Kolbens Luft (Gas oder Ammoniak- u.s.w. Dämpfe) durch die Saugleitung und Saugventile oder einen Schieber eingelassen, gleichzeitig auf der entgegengesetzten Seite die dort eingesaugte Luft auf den gewünschten Druck komprimiert und nach Erreichen desselben aus dem Zylinder in die Druckleitung geschafft wird, so daß man, genau wie bei den Zylindergebläsen, drei Perioden unterscheidet, die Sang-, Krompressions- und Ausschubperiode. Das Diagramm eines Luftkompressors, das diese drei Perioden erkennen läßt, zeigt große Aehnlichkeit mit dem Indikatordiagramm einer Dampfmaschine, wie aus Fig. 1 zu erkennen, wo links das Diagramm der letzteren, rechts dasjenige des Luftzylinders dargestellt ist.

Da mit der Kompression der Luft eine starke Erwärmung derselben verbunden ist, diese Erwärmung jedoch verlorene Arbeit darstellt, so wird einmal zur Verringerung der Kompressionsarbeit, sodann aber auch zur Abkühlung der Zylinderwände bei fast allen Luftkompressoren Wasserkühlung angewendet. Die Abkühlung ist am vollkommensten bei den Kompressoren mit Mantel- und Einspritzkühlung, wenn letztere während der Kompressionsperiode zur Anwendung kommt, also nicht während des Ansaugens der Luft. Die Kompressoren mit innerer Wassersäule bewirken zwar gleichfalls eine Abkühlung der Luft; indessen ist die letztere nicht so intensiv wie bei Einspritzkühlung, und die Wassersäule dient hauptsächlich zum Ausfüllen der schädlichen Räume[248] am Ende des Kolbenhubs und hierdurch zur Vergrößerung der gelieferten Luftmenge (des volumetrischen Wirkungsgrades) des Kompressors. Da durch Wassereinspritzung die Luft feucht wird und feuchte Luft für viele Verwendungszwecke ungeeignet und nachteilig ist, so kann die Einspritzkühlung nicht in allen Fällen Anwendung finden, namentlich nicht bei Kompressoren, welche die Druckluft für Gesteinsbohr- oder andre Luftarbeitsmaschinen liefern, in welchen eine starke Expansion der Luft stattfindet. Denn da mit letzterer eine starke Abkühlung der Luft verbunden ist, so findet bei großem Feuchtigkeitsgehalt der Luft Schnee- und Eisbildung in den Arbeitsmaschinen statt, die dieselben in kurzer Zeit außer Tätigkeit setzt. Soll dennoch Einspritzkühlung angewendet werden, so ist für eine möglichst gute Entwässerung und Trocknung der Luft Sorge zu tragen, wozu häufig Wasserabscheider und außerdem große Luftbehälter (alte Dampfkessel oder dergl.) angewendet werden, in welchen die Luft einige Zeit über in Ruhe ist, so daß ein Niederschlagen des mitgerissenen Wassers zum größten Teil erfolgen kann.

1. Ventilkompressoren. Bei denselben sind die Ventile entweder wie bei manchen Gebläsemaschinen in den Zylinderdeckeln oder lotrecht über den Zylinderenden angeordnet. Eine Konstruktion der letzteren Art zeigt der Ventilkompressor der Braunschweigischen Maschinenbauanstalt (Fig. 2 und 3). Die Sang- und Druckventile liegen, je eins an der Zahl, an beiden Zylinderenden über den Zylindern, sind gut geführt und sehr leicht zugänglich; sie können sich vermöge ihrer zentralen, lotrechten Führung nicht so leicht abnutzen und festklemmen wie in horizontaler Richtung bewegliche Ventile. Der Luftzylinder ist frei hängend am Maschinenrahmen befestigt. Die Saugventile saugen direkt aus der umgebenden Luft, während an die Druckventile eine gemeinsame Luftkammer und an diese das Druckrohr sich anschließen. Zu dieser Klasse von Luftkompressoren gehören der Ingersoll-Sergeant-Kompressor [1], der Davey-Kompressor, der Sturgeon-Kompressor [1], die Kompressoren von Hertel-Meyer, Dubois-François, Sauther-Lemmonier u.a. Die Sang- und Druckventilkonstruktion des Ventilkompressors der Maschinenfabrik Schüchtermann & Kremer in Dortmund ist in Fig. 4 und 5 abgebildet. Beide Ventile sind einfache Ringtellerventile. Zur Herbeiführung eines möglichst sanften Ventilschlusses erfolgt durch das Zusammenwirken zweier gegeneinander wirkender Federn und eines ringförmigen Rückschlagventils mit dem Collmannschen Ventil ein Katarakt, der beim Saugventil unten, beim Druckventil oben angebracht ist. Die Ventile sind am Umfang mit einer größeren Anzahl kreisförmiger, nach oben spitz zulaufender Oeffnungen R₁ versehen, die anfänglich der im Katarakt befindlichen Flüssigkeit (Wasser, Oel, Glyzerin oder dergl.) einen leichten Austritt aus dem Kataraktraum K gewähren, gegen Ende des Schlusses aber die Flüssigkeit mehr und mehr drosseln und endlich die Durchgangsöffnungen ganz abschließen. Die Wirkung dieses Katarakts zeigt sich deutlich in den Ventilerhebungsdiagrammen (Fig. 6), in welchen cc die Anhubkurven, mm die anfangs ziemlich steilen Schlußkurven darstellen, die sich gegen Ende des Schlusses bei zz stark abflachen, was ein sehr allmähliches Aufsetzen der Ventile beim Schluß erkennen läßt.

Von sonstigen neueren Konstruktionen von Ventilkompressoren sind die folgenden bemerkenswert, zunächst der Kompressor von Riedler-Stumpf mit rückläufigen Ventilen. Der Grundgedanke dieser eigenartigen Konstruktion ist der, daß die Eröffnungsbewegung hinsichtlich ihrer Richtung umgekehrt wurde, wodurch man den Schluß des Ventils durch den Kolben wiederum ermöglicht. Bei den gesteuerten Ventilen normaler Konstruktion erfolgt die Schlußbewegung des Ventils entgegengesetzt der Kolbenbewegung. Der Kolben kann sofort zum Schluß[249] des Ventils herangezogen werden, wenn die Bewegung des Ventils umgekehrt wird. Die Umkehrung der Bewegung wird bei dem in Fig. 7 dargestellten Ventil dadurch erzielt, daß das Druckventil ähnlich wie ein Saugventil ausgebildet wird, wobei sich an das Ende der hohlen Führungsspindell des Ventils eine Platte anschließt, die etwa hinsichtlich ihrer Fläche doppelt so groß ist wie die nach dem Zylinderinnern hin liegende Abschlußplatte. Die Druckänderung im Innern des Zylinders wird sich durch die hohle Führungsspindell auf die Rückseite der erwähnten großen Druckplatte des Ventils erstrecken. In dem Augenblick, wo der Kompressionsdruck im Innern des Zylinders den Luftdruck im Druckraum übersteigt, wird sich ein Ueberdruck auf das Ventil geltend machen, der sich aus dem Flächenunterschied der beiden Platten ergibt. Dieser Ueberdruck wird das Ventil nach innen aufwerfen und so der Druckluft den Austritt nach dem Druckraum hin gestatten. Der Kolben läuft nun gegen das geöffnete Ventil an und drückt dasselbe mit der Geschwindigkeit Null im Totpunkte auf den Sitz auf. Der Schluß geschieht somit vollkommen geräuschlos, indem die Schlußgeschwindigkeit Null ist. Die Eröffnung geschieht ebenfalls lautlos, indem auf der Rückseite der großen Platte ein übergroßer Pufferraum zur Verfügung steht. Dieser Pufferraum kann durch eigne Stellschrauben eingestellt werden. In den Kolben werden Federn eingesetzt, die auch den Anschlag des Ventils am Kolben lautlos gestalten. Hieraus ergibt sich, daß diese Ventile außerordentlich ruhig funktionieren müssen, was eine recht lange Lebensdauer der Ventile gewährleisten muß. Das Zuhalten der Ventile während der Saugperiode geschieht durch den Druck, der aus dem Druckraum nach dem Pufferraum übertritt. Der Druck lastet zwar gleichzeitig auch auf der kleinen Platte. Die Kraft, die somit den Schluß des Ventils sicherstellt, ergibt sich wieder aus dem Flächenunterschied der beiden Platten. Der Außenrand der großen Platte ist so weit verlängert, daß derselbe einem in das zweiteilige Gehäuse eingesetzten, nach innen spannenden Spannring Raum gibt. Hierdurch wird während der Saugperiode die Dichtung sichergestellt. An Stelle dieser Schleifdichtung könnte auch eine Dichtung durch einen Sitz vorgesehen werden. Die Schleifdichtung hat nur den Vorzug, daß die volle Druckdifferenz, die sich aus dem Unterschied der beiden Platten ergibt, als Dichtungskraft auf den Ventilsitz zur Geltung kommt.

Eine verbesserte Konstruktion des rückläufigen Ventils ist in Fig. 8 gegeben. Bei diesem Ventil ist die Ventilröhre bis zu dem Ventilsitz der Fig. 7 erweitert, wodurch der erwähnte Flächenunterschied zwischen der großen und kleinen Platte sich in dem verbleibenden Rand ergibt. Die Eröffnungskraft bei Beginn der Eröffnung sowie die Schlußkraft während der Ansaugung wird somit bei dem Ventil der Fig. 8 genau so sein wie bei dem Ventil der Fig. 7. Ueberhaupt wird die ganze Wirkungsweise in beiden Fällen vollkommen identisch sein. An Stelle der Sitzdichtung der Fig. 7 ist eine Kolbenschleifdichtung bei dem Ventil der Fig. 8 verwendet. Dagegen ist die Kolbenschleifdichtung an der großen Platte des Ventils der Fig. 7 durch eine Sitzdichtung bei dem Ventil der Fig. 8 ersetzt. Die Eröffnungsbewegung geschieht wieder gegen die Wirkung eines Puffers. Der Kolben läuft wie bei dem vorher beschriebenen Ventil gegen das geöffnete Ventil und drückt dasselbe mit der Geschwindigkeit Null im Totpunkte auf den Sitz auf. Um den Anschlag am Kolben lautlos zu gestalten, ist an Stelle einer Feder ein Bleiausguß vorgesehen. Um den Uebertritt der Luft aus dem Innern des Zylinders nach dem Druckraum während der Schlußzeit zu gestatten, sind Bohrungen an dem nach innen liegenden Rand des Ventils angebracht. Bei diesem Ventil geschieht im Gegensatz zu dem in Fig. 7 gezeichneten Ventil der Austritt der Luft nach dem Druckraum an dem äußeren Ventilrand der großen Platte. Dies hat den Vorzug, daß sich der Hub des Ventils im Verhältnis des Durchmessers der kleinen Platte zum Durchmesser der großen Platte verkleinert. Die Abdichtung des Druckraums nach dem Zylinderinnern während der Zeit des Ansaugens geschieht durch zwei Kolbenspannringe, die in das Ventil eingesetzt sind. Die Konstruktion hat den großen Vorzug, daß Ungenauigkeiten in der Einstellung keine weiteren Folgen haben. Ferner gestattet dieselbe das Auswechseln von Ventilen in der denkbar kürzesten Zeit, wobei kein Einstellen der Steuerung u.s.w. nötig ist. Die Konstruktion gestattet ferner einen Zusammenbau des Ventils mit dem Sitz und Gehäuse außerhalb der Maschine, so daß das Ganze als zusammengebauter Apparat stets zur Auswechslung bezw. zum Einsetzen in die Maschine vorrätig gehalten werden kann.

Die gute Wirkungsweise der rückläufigen Druckventile ist durch das Ventilerhebungsdiagramm Fig. 9 veranschaulicht. Die aufzeigende Kurve zeigt die Eröffnungskurve, die sich anschließende Horizontale die Zeit der Eröffnung bis zu dem Punkte, wo der Kolben gegen das Ventil anläuft und dasselbe auf den Sitz, der gezeigten Schlußlinie gemäß, aufdrückt. Der Schluß erfolgt, wie die Figur zeigt, genau im Totpunkt, also mit der Geschwindigkeit Null. Aus dem Ventilerhebungsdiagramm erhellt, daß die Ventilbewegung absolut exakt und vollkommen frei von allem Flattern ist, wie solches bei andern Ventilen meistens beobachtet. werden kann. Das Flattern der Ventile ist der Hauptübelstand bei den gewöhnlichen Kompressorventilen, indem dadurch die Ventilführung, die Ventilbelastung, Federn u.s.w. außerordentlich stark in Anspruch genommen werden. Ferner wird der Wirkungsgrad des Kompressors durch das Flattern sehr ungünstig beeinflußt, indem das Ventil zeitweise sich in der Nähe des Sitzes befinden wird, wo der Durchschnittsquerschnitt infolge der hohen Kolbengeschwindigkeit noch stark in Anspruch genommen wird. Es ergeben sich somit infolge des Flatterns sehr erhebliche Diagrammverluste, und das Brechen der Belastungsfedern, das Anschleudern der Ventile gegen[250] die Hubbegrenzungen und das Brechen derselben sind weitere unangenehme Folgen. Solches ist, wie aus dem Ventilerhebungsdiagramm hervorgeht, bei den rückläufigen Ventilen vermieden. In dem Diagramm Fig. 9 sind mehrere Diagramme übereinander gezogen, die bei verschiedenen Drucken und Geschwindigkeiten aufgenommen wurden. Diese Diagramme zeigen wieder, daß jegliches Flauem des Ventils vermieden ist. Auch die Saugventile können als rückläufige Ventile ausgebildet werden.

Die als reibungslos geführte Ringklappenventile bezeichneten Ventile der Kompressoren von Lang-Hörbiger sind in den Fig. 10–12 abgebildet [2]. Fig. 10 zeigt ein einfaches Ventil für mittelgroße liegende Zylinder. In Fig. 11 ist die Konstruktion der Ventile schematisch dargestellt. Eine aus dünnem Stahlblech hergestellte Ringklappe V ist mittels dreier oder mehrerer biegsamer Lenker LK an der festen Ventilauflagerebene CC befestigt. Durch den Druck der Luft gegen die Ringklappe wird die letztere gehoben, wobei sie vermöge ihrer eigenartigen, äußerst elastischen Aufschwingung eine geringe Drehung um ihre ideelle Ventilachse OX ausführt. Vermöge ihres sehr geringen Gewichts können die Ventile bei Maschinen mit großen Tourenzahlen Anwendung finden, und ihr Spiel ist trotzdem ein äußerst ruhiges. Die Bauart eines etagenförmigen Druckventils und die Anordnung desselben im Ventildeckelgehäuse läßt Fig. 12 erkennen.

Den Lang-Hörbigerschen Ventilen ist das neue reibungslose Plattenventil von R. Meyer in Mülheim (Ruhr) ähnlich; in Fig. 13 ist das Druckventil, in Fig. 14 das Saugventil abgebildet. Die dünne Stahlventilplatte a ist durch Gelenke c mit einer oberhalb bezw. unterhalb des Ventils an der Stange f, die den Ventilsitz d festhält, befestigten Flachfeder b verbunden. Das Ventil hebt sich infolgedessen sehr leicht an und wird beim Hubwechsel durch die Feder b auf seinen Sitz d zurückgeworfen. Die getroffene Anordnung dürfte leichtes Spiel und geringen Ventilwiderstand bewirken.

2. Kompressoren mit Wassersäule oder nasse Kompressoren.

Die älteste Ausführung dieser Art stammt von Sommeiller [3], nach dessen Vorbild die neueren Ausführungen im wesentlichen gebaut sind, so die Kompressoren der Maschinenbauanstalt Humboldt in Kalk bei Cöln, der Kompressor von Stanek [4], und der nach eigentümlichem Prinzip konstruierte Kompressor von Hanarte [5]. Seine Besonderheit besteht in der Form der Erweiterung der Zylinder nach den Ventilkästen hin. – Hanarte läßt den Wasserspiegel der aufsteigenden Wassersäule nach oben hin in derselben Weise zunehmen, wie die Anzahl der bei der Kompression entwickelten Wärmemengen wächst. Die Konstruktion ist aus Fig. 15 zu ersehen. Ursprünglich nur für Pumpen angewendet, ergab dieselbe auch bei Luftkompressoren gute Resultate und gestattete, mit der Tourenzahl bis zu 300 in der Minute zu gehen, ohne daß Schläge oder Erschütterungen in der Maschine auftraten. Um der Luft noch eine größere Berührungsoberfläche mit dem Kühlwasser zu geben, füllt Hanarte nach dem Vorschlag von Rossigneux [5] den oberen Teil der stehenden Zylinderansätze mit Ketten, Stäben, Röhren u. dergl. aus, wie aus[251] Fig. 16 zu ersehen ist. Dieselben halten einen Teil des Wassers beim Niedergang des Wasserspiegels während der Saugperiode zurück, welches während der Kompressionsperiode zur Vermehrung der Wärmeentziehung der Luft dient. Bei Versuchen, welche von Grand in Albi (Belgien) mit dem Hanarteschen Kompressor angestellt wurden, ergab sich ein volumetrischer Wirkungsgrad von 92–96%, wobei der Temperaturunterschied der Luft vor und nach der Kompression nur 4° C. betragen haben soll.

3. Schieberkompressoren. Bei denselben findet ähnlich wie bei Dampfmaschinen mit Schiebersteuerung, die Regulierung der Ein- und Ausströmung durch einen oder mehrere Schieber statt, welche entweder als Flach-, Dreh- oder Kolbenschieber ausgeführt sein können. Bei fast allen diesen Kompressoren findet ein Druckausgleich am Ende des Kolbenhubes zwischen beiden Zylinderseiten statt, um den Anfangsdruck auf den Kolben zu verringern und den volumetrischen Effekt zu erhöhen. Der bekannteste und verbreitetste Kompressor mit Flachschiebersteuerung und Druckausgleich ist der Weißsche [6]. Derselbe besitzt im Schieber zwei Durchlaßkanäle A und ß (Fig. 17), den Druckausgleichkanal C und die Muschel D (Fig. 18), welche die Verbindung zwischen dem Saugkanal E und den Zylinderkanälen herstellt. Eine durch zwei Spiralfedern gehaltene Platte F ist auf dem Rücken des Schiebers befestigt, welche sich beim Erreichen des Kompressionsdruckes vom Schieber abhebt und ein Ausströmen der Luft in den Schieb erkalten ö und das Druckrohr gestattet. In der Stellung (Fig. 17) findet links vom Kolben Einsaugen, rechts Kompression statt, während sich in der Endstellung (Fig. 18) das Ueberströmen der im schädlichen Raum auf der linken Zylinderseite enthaltenen komprimierten Luft durch den Kanal C nach der andern Zylinderseite und dadurch ein Druckausgleich zwischen beiden Zylinderseiten vollzieht. Diese Kompressoren werden in Deutschland von der Sangerhäuser Maschinenfabrik in Sangerhausen, der Duisburger Maschinenbauanstalt in Duisburg und der Maschinen- und Armaturenfabrik vorm. Klein, Schanzlin & Becker in Frankenthal gebaut.

Als einer der bekanntesten Vertreter der Schieberkompressoren mit Drehschieber ist der Harrassche Kompressor anzusehen, der von der Maschinenbau-Aktiengesellschaft vorm. Breitfeld, Danek & Co. in Prag gebaut wird. Derselbe ist ein kombinierter Schieber- und Ventilkompressor und in Fig. 19 abgebildet. In den oberhalb des Zylinders liegenden Kanälen befinden sich zwei kreisförmige Oeffnungen, auf welchen je ein Druckventil sitzt, welches die komprimierte Luft in den Schieberkasten und von hier in das auf dem seitlichen Auslaßstutzen sitzende Druckrohr entweichen läßt. Das Ansaugen wird durch den mittleren, um eine horizontale Drehachse schwingenden und durch ein Exzenter und einen Hebelmechanismus bewegten Rundschieber reguliert, welcher in seiner Mittellage durch die auf seinem Rücken befindliche Aussparung die Umströmung und den Druckausgleich ermöglicht.

Mit zwei getrennten Rundschiebern versehen ist der Kompressor von Strnad (Fig. 20), bei welchem in jedem Rundschieber auch eine Klappe oder bei den neueren Ausführungen ein Ventil zum Auslaß der komprimierten Luft angebracht ist.[252]

4. Kompressoren mit gesteuerten Ventilen u.s.w. Dieselben und mit Mechanismen zum rechtzeitigen Abschluß der Sang- oder Druckorgane ausgestattet. Die Bewegung oder Oeffnung der Saugorgane kann erst dann erfolgen, wenn im Zylinder eine gewisse Luftverdünnung stattgefunden hat, da erst dann der äußere Luftdruck imstande ist, die Ventile oder Klappen zu heben Der Kolben wird daher erst einen gewissen Bruchteil seines Hubes zurücklegen müssen, ehe das Ansaugen der Luft erfolgen kann. Hieraus folgt, daß letzteres um so später geschieht, also die bei einem Hube eingesaugte Luftmenge um so kleiner oder der volumetrische Wirkungsgrad um so schlechter ist, je höher der Anfangsdruck im schädlichen Raum des Zylinders war. Eine ähnliche Erscheinung findet beim Rückgang des Kolbens statt, indem sich die Saugventile erst schließen, wenn ein gewisser Ueberdruck im Zylinder erzeugt ist, so daß also vorher noch ein Entweichen von Luft stattfindet. Da endlich der Abschluß der Druckventile oder Klappen gleichfalls nicht genau beim Hubwechsel, sondern erst dann erfolgt, wenn der Ueberdruck der Windleitung genügt, um den Abschlußorganen die zum Schluß erforderliche Beschleunigung zu erteilen, so vollzieht sich auch ein Rückströmen der komprimierten Luft aus der Windleitung in den Zylinder während eines wenn auch kleinen Bruchteils des Kolbenhubes. Durch alle diese Vorgänge wird ein Luftverlust oder eine Verminderung des volumetrischen Wirkungsgrades bewirkt. Es ist daher klar, daß dieser Wirkungsgrad um so günstiger ausfallen wird, je rascher der Schluß der Ventile erfolgt und je genauer derselbe mit dem Hubwechsel zusammenfällt. Letzteres ist jedoch nur möglich durch Anwendung äußerer Kräfte, indem die Ventile oder Klappen beim Hubwechsel durch einen von der Maschine bewegten Mechanismus geöffnet oder geschlossen werden. Infolge letzterer Einrichtung kann den Abschlußorganen ein viel größerer Hub gegeben werden als den selbsttätigen Organen, und es kann an die Stelle einer größeren Anzahl kleiner Organe mit kleinem Hub ein einziges größeres Abschlußorgan mit größerem Hub treten. Wegen des mechanischen Schlusses der Ventile kann nun aber die Geschwindigkeit der Maschine vergrößert, infolge hiervon für eine bestimmte Luftmenge ein kleinerer Zylinder, also auch ein kleinerer und leichterer Kolben gewählt werden, wodurch sowohl die Abnutzung als auch die Reibungsarbeit, ferner die Arbeit zur Beschleunigung der bewegten Massen und endlich auch der Preis der Maschine verhältnismäßig geringer ausfällt

Man kann zwei Hauptklassen von Luftkompressoren mit gesteuerten Organen unterscheiden: a) solche mit gesteuerten Saugorganen und b) solche mit gesteuerten Druckorganen bezw. Sang- und Druckorganen. Zur ersteren, am seltensten ausgeführten Klasse gehört unter anderm der Kompressor von Reumeaux [7], zur letzteren, gebräuchlicheren die Kompressoren von Riedler [8], Reynolds, Windhausen [9] u.a. – Das Prinzip der Riedlerschen Konstruktion ist aus Fig. 21 zu ersehen, in der die Saugklappe A geschlossen, die Druckklappe D geöffnet gezeichnet ist. Erstere ist durch ein elastisches Band C (Hanfgurt mit Gummieinlage, Gummischnur oder dergl.) mit dem Hebel B verbunden, welcher kurz vor dem Hubwechsel des Kolbens die Klappe bis nahe an den Sitz heranzieht, während der Schluß dann selbsttätig durch die Luft erfolgt. In gleicher Weise wirkt auf die Druckklappe D der Daumen E, während der Anschlag F zur Hubbegrenzung für dieselbe dient. Die Konstruktion eines gesteuerten Riedlerschen Ventils ist aus Fig. 22 ohne weiteres verständlich. – Den in neuester Zeit sehr verbreiteten Kompressor mit Kolbenschiebersteuerung von Köster zeigen Fig. 23–25 nach den Ausführungen der Maschinenfabrik Pokorny & Wittekind in Frankfurt a. M.-Bockenheim. Die Steuerung geschieht durch einen zwangläufig bewegten Kolbenschieber A in Verbindung mit einem selbsttätigen Rückschlagventil B. Der Kolbenschieber Heuert Anfang und Ende der Saugperiode sowie Ende der Druckperiode, und zwar öffnet er den Kanal C abwechselnd auf der Sang- und Druckseite kurz nach den Totpunkten des Arbeitskolbens D, um ihn in dem Moment, in welchem der Arbeitskolben die folgende Totlage erreicht, wieder zu schließen. Nach Eröffnen des Kanals auf der Druckseite tritt die Luft mit zunehmender Kompressionsspannung unter das Rückschlagventil B und öffnet dieses, sobald der Druck im Zylinder den im Druckraum[253] E herrschenden erreicht hat. Der Arbeitskolben D drückt nun die Luft durch das Ventil B in den Druckraum E. Genau in der nun folgenden Totpunktlage des Arbeitskolbens unterbricht der Schieber die Verbindung zwischen Arbeitszylinder und Ventil B und drückt während seiner weiteren Bewegung nach dem Ventil zu die zwischen sich und diesem befindliche Preßluft in den Druckraum E. Durch diese eigenartige Verdrängerwirkung des Steuerkolbens A wird der Ventilhub ganz allmählich und so ein sanfter Schluß dieses Organs bewirkt. Das von dem Steuerkolben A bestrichene Volumen ist sehr gering gegenüber dem Arbeitsvolumen (¹/₃₀–¹/₄₀). Der Ventilhub wird sich nach Abschluß des Kanals C auf der Druckseite, entsprechend diesem geringen Steuerkolbenvolumen, stark vermindern und bei der Umkehr des Steuerkolbens A auf ein kleines Maß herabgesunken sein. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß der Ventilhub bei richtig gewählter Feder ungefähr proportional der Kolbengeschwindigkeit zu- bezw. (von ungefähr Mitte Hub an) abnimmt, so daß er bei der Totpunktlage des Arbeitskolbens D schon verhältnismäßig gering sein wird, und wenn weiter in Erwägung gezogen wird, daß von diesem (der Totpunktlage des Arbeitskolbens entsprechenden) Zeitpunkt an dem Ventil B zu seinem völligen Schluß noch etwas mehr als die Zeit eines halben Hubes zur Verfügung steht, kann man sagen, daß die für diese Steuerung möglichen Umlaufzahlen praktisch fast unbegrenzt sind. Die Steuerung eignet sich in der Tat für jede beliebige Umdrehungszahl. Der Steuerkolben A bewirkt durch seine eigenartige Verdrängerwirkung nicht allein die günstige Arbeitsweise des Ventils, sondern ein Hauptvorzug liegt noch darin, daß die gepreßte Luft, die zwischen dem Schieber A und dem Ventil B sich befindet, fortgedrückt wird. Das zwischen dem Schieber A in seiner dem Ventil am nächsten gelegenen Totlage und dem Ventil B selbst eingeschlossene Volumen wird derart bemessen, daß es bis zur Wiedereröffnung des Kanals auf der Druckseite auf ungefähr 1 abs. Atmosphäre (gleich der Spannung im Arbeitszylinder bei Eröffnen des Kanals C) zurückexpandiert ist. Während bei vielen Konstruktionen das in den Durchtrittskanälen bleibende Volumen Preßluft bei Eröffnung der Druckkanäle in den Zylinder zurückschießt und dadurch eine oft sehr beträchtliche unnötige Arbeitsvergrößerung bewirkt wird, ist dies hier durch die Verdrängerwirkung des Steuerkolbens unter allen Umständen vermieden.

Erwähnenswert ist noch der doppelte Abschluß zwischen Sang- und Druckraum während eines großen Teiles einer Kurbeldrehung, derart, daß nicht nur der Schieber A, sondern zugleich das geschlossene Ventil B die fortgedrückte Luft von dem Arbeitszylinder absperrt. Das Rückschlagventil wird möglichst leicht gebaut und schließt sich unter Einwirkung einer Feder, die nach Ventilgewicht, Ventilhub und Umdrehungszahl im geschlossenen Zustand des Ventils eine Spannung von 0,006–0,02 kg auf 1 qcm freie Ventilfläche aufweist. Die Kompressoren dieser Bauart arbeiten ohne Druckausgleich, Die schädlichen Räume der Zylinder sind gering. Sie betragen bei Kompressoren mittlerer Größe und normaler Umdrehungszahlen (z.B. 85 in der Minute bei 400 cbm Saugleistung in der Stunde) 1¹/₂–3% des Nutzvolumens. Dieser kleine Betrag ist durch Teilung der Kolbenschieber erreicht. Die garantierten volumetrischen Wirkungsgrade einstufiger Kompressoren betragen je nach der Höhe des Kompressionsdruckes zwischen 2 und 6 Atmosphären absolutem Enddruck 90–98%. Bei Verbundkompressoren mit 6–8 Atmosphären absolutem Enddruck beträgt der garantierte volumetrische Wirkungsgrad 95–96%.

5. Verbundkompressoren. Dieselben komprimieren die Luft stufenweise in zwei, drei und selbst vier Zylindern. Sie finden hauptsächlich Anwendung zur Erzeugung hochgespannter Druckluft zum Betriebe von Luftlokomotiven, so z.B. beim Bau des Gotthardtunnels, von Torpedomaschinen u.s.w. Namentlich die Kompressoren für die letzteren sind ziemlich verbreitet und in mannigfaltigen Formen ausgebildet. Man unterscheidet bei denselben zwei Klassen, solche ohne Zwischenbehälter und solche mit letzterem, in welchem Falle die Luft vom Niederdruckkompressor zunächst in einen Behälter geschafft wird, wo man sie häufig auch noch durch Wassereinspritzung abkühlt; von hier wird sie durch den Hochdruckzylinder abgesaugt. Die bekannteren Verbundkompressoren sind diejenigen von Brotherhood [9], Scott [10], Sergeant, Whitehead [11], Kaselowsky, Riedler, Köster, Strnad u.a. (s.a. [12]).

6. Die Vorrichtungen zum Einspritzen von Kühlwasser bei den Luftkompressoren bestehen meistens aus einer oder mehreren an der Innenwand der Zylinderdeckel befindlichen Düsen oder Zerstäubungsvorrichtungen, welchen das Kühlwasser durch das Druckrohr von einer Druckpumpe oder einem Akkumulator zugeführt wird. Ein Nachteil ist das Erfordernis sehr seiner, die Zerstäubung des Wassers bewirkender Oeffnungen, welche sich leicht verstopfen und dadurch die Vorrichtung oft ganz oder teilweise außer Tätigkeit setzen und zu häufigem Reinigen bezw. Reparaturen Veranlassung geben.

7. Berechnung der Luftkompressoren. Die Berechnung der Luftkompressoren erfolgt nach denselben Regeln wie diejenige der Zylindergebläse. Unter Annahme isothermischer Kompression gelten die Gleichungen

V = ηv F s n und N = (Fsn p₁)/(30 · 75) ln p₂/p₁,

worin V₀ die angesaugte Luftmenge in der Minute, ηv den volumetrischen Wirkungsgrad, F den Zylinderquerschnitt in Quadratmetern, s den Kolbenhub in Metern, n die minutliche Umdrehungszahl der Schwungradwelle, p₁ und p₂ den Saug- bezw. Kompressionsdruck in Kilogramm-Quadratmetern und N den Arbeitsbedarf des Kompressors in Pferdestärken bezeichnet. In Wirklichkeit vollzieht sich die Kompression jedoch nicht isothermisch, sondern polytropisch (s. Zeuner, Techn. Thermodynamik, Bd. 2, S. 327 ff.) und ist die Kompressionsarbeit nach der folgenden Gleichung zu berechnen: N = Fsn/30 · p_m/75, worin N, F, s und n dieselbe Bedeutung wie in der obigen Gleichung haben und für p_m, den mittleren Kompressionsdruck, folgende Gleichungen gelten:

[254] Darin bedeuten c' p und c' v bezw. c'' p und c'' v die spezifischen Wärmen bei konstantem Druck und konstantem Volumen der Luft bezw. des überhitzten Wasserdampfes, also c' p = 0,2375, c' t = 1685, c'' p = 0,4805, c'' v = 0,3695 und m das Mischungsverhältnis oder das Verhältnis des Wasserdampfgewichts zum Luftgewicht in 1 kg Luft. Für absolut trockene Luft ist m = 0, also k = c' p/c' v = 1,41.

Der volumetrische Wirkungsgrad der Luftkompressoren Ist für trockene Kompressoren am kleinsten, am größten dagegen bei nassen Kompressoren, gesteuerten Kompressoren und Kompressoren mit Druckausgleich. Die folgende Tabelle gibt einige Mittelwerte derselben:

Mit zunehmender Kolbengeschwindigkeit nimmt bei den nichtgesteuerten Kompressoren der volumetrische Wirkungsgrad im allgemeinen ab. Der mechanische Wirkungsgrad, d.h. das Verhältnis der Arbeit im Luftzylinder zu derjenigen im Dampfzylinder, ist ebenfalls bei den verschiedenen Systemen verschieden und schwankt zwischen 0,6 und 0,8. Die üblichen Kolbengeschwindigkeiten sind aus nachstehender Tabelle zu ersehen, wobei zu bemerken ist, daß die Kompressoren mit Schiebern und gesteuerten Ventilen und Klappen u.s.w. mit wesentlich höheren Kolbengeschwindigkeiten laufen können als die gewöhnlichen Ventilkompressoren.

Literatur: [1] v. Ihering, Gebläse, Berlin 1903, 2. Aufl., 2. Kap. – [2] D.R.P. Nr. 87267; vgl. ferner »Stahl und Eisen« 1897, Abhandlung von Hörbiger. – [3] Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1876, Taf. 11; Civilingenieur 1863, Taf. 26; Pernolet, L'air comprimé, Paris 1876, S. 288 f.; v. Ihering, Gebläse, 2. Aufl., S. 168. – [4] Oesterr. Zeitschr. f. Berg- u. Hüttenwesen 1879, S. 267f. – [5] Comptes rend. Soc. min. 1891, S. 151, 192; v. Ihering, Gebläse, 2. Aufl., S. 183. – [6] Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1885, S. 929f. – [7] Portef. d. mach. 1887, Taf. 23 u. 24; Zeitschr. f. Berg-, Hütten- u. Salinenwesen 1887, Bd. 35, S. 231. – [8] Riedler, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1885, S. 502; 1886, S. 935; 1888, S. 481; 1892, S. 864. – [9] Engineering 1890, Bd. 48, S. 10. – [10] Revue d. min. 1886, Bd. 20, S. 556; v. Ihering, Gebläse, S. 207. – [11] D.R.P. Nr. 50353. – [12] v. Ihering, Gebläse, 2. Aufl., S. 227 f. und S. 600 f.; s. ferner »Stahl und Eisen« 1901, S. 571; Konvertergebläse f. Hasper Eisenwerk mit Stumpfventilen, Zeitschr. f. komprimierte Gase 1901, S. 11; Klappenventil von Gutermuth; vgl. ferner D.R.P. Nr. 92598, 96508, 97067, 106358, 118625, 121549, 123994, 123995, 123996, 123997, 125141, 137654, 147320, 164691, 166122, 166531, 166769, 177 833 und für hydraulische Luftkompressoren die D.R.P. Nr. 114099, 123530, 140402, 148586, 153641, 160072, 168747, 170193, 170677, 172735, 177926, 178328, 178638, 179644, 184240, 184906, 188111.

v. Ihering.

Fig. 1.

Fig. 2., Fig. 3.

Fig. 4., Fig. 5., Fig. 6., Fig. 7.

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Fig. 12.

Fig. 13 und 14.

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Fig. 19.

Fig. 20.

Fig. 21., Fig. 22., Fig. 23., Fig. 24., Fig. 25.