Überprüfung und Vergleich aktueller Leistungsstandards für Industriegebläse

Die Abwasserbehandlungsindustrie ist stark auf eine effiziente Quelle von ölfreier Niederdruckluft angewiesen, um Sauerstoff für den aeroben Abbau organischer Stoffe bereitzustellen.

Ursprünglich wurde diese Niederdruckluft durch Drehkolbengebläse erzeugt. Aufgrund des hohen Luftbedarfs für Belüftungsanwendungen setzte die Abwasserindustrie jedoch schnell auf dynamische Gebläse, insbesondere mehrstufige Radialgebläse. Dank ihres Erfolgs in der Abwasserindustrie haben sich dynamische Gebläse in der gesamten Industrie weit verbreitet.

Der Bedarf an höherer Effizienz hat die Entwicklung neuer Gebläsetechnologien vorangetrieben, darunter Hochgeschwindigkeits-Turbogebläse und Niederdruck-Schraubengebläse. Diese Technologien haben ihre Leistung im Laufe der Zeit gesteigert. Solche Entwicklungen haben das Interesse von Endanwendern und Planungsingenieuren gleichermaßen geweckt, und es gab zahlreiche Diskussionen über den Leistungsvergleich zwischen dynamischen und Verdrängergebläsen.

Es versteht sich von selbst, dass Anwender bei der Spezifikation der Gebläseleistung erwarten, dass der Gebläsehersteller die spezifizierte Leistung erbringt. Dies gilt insbesondere für die Abwasserindustrie, wo die Niederdruckbelüftung einen erheblichen Kostenfaktor darstellt.

Daher ist ein valides und zuverlässiges Verfahren zum Vergleich der Leistung verschiedener Gebläsetechnologien erforderlich, um Kauf- und Spezifikationsentscheidungen auf Fakten und Daten zu stützen. Die Herausforderung beim Leistungsvergleich unterschiedlicher Gebläsetechnologien, wie z. B. dynamischer und Verdrängergebläse, besteht darin, dass diese nach verschiedenen Kompressionsprinzipien arbeiten. Dies erschwert die für einen präzisen Leistungsvergleich notwendigen Prüfverfahren und lässt Raum für kreative Darstellungen der Leistung.

Die nächste Generation von Gebläsestandards

Die bestehenden Leistungsstandards für dynamische Kompressoren (PTC-10 und ISO 5389) und Verdrängerkompressoren (ISO 1217) wurden vor Jahrzehnten entwickelt.

Obwohl diese Normen im Laufe der Jahre mehrfach überarbeitet und geändert wurden, fordert die Abwasserbranche seit Langem eine neue Methodik für Leistungstests, die den gesamten Prozess von der Verkabelung bis zur Luft durchführt und die tatsächliche Gesamtleistung von Niederdruck-Luftkompressoren (Gebläsen) misst und genaue Leistungsvergleiche zwischen verschiedenen Gebläsetechnologien ermöglicht.

Als Antwort auf diese Herausforderung haben das Compressed Air & Gas Institute (CAGI), die Internationale Organisation für Normung (ISO) und die American Society of Mechanical Engineers (ASME) unabhängig voneinander die folgenden drei Leistungsstandards für Niederdruckgebläse entwickelt:

Nehmen wir das Beispiel von drei Personen, die von Miami nach Chicago reisen: eine mit dem Auto, eine mit dem Flugzeug und eine mit dem Zug. Alle drei erreichen dasselbe Ziel, nur die Reiseerfahrung ist jeweils unterschiedlich. Ähnlich verhält es sich mit Prüfstandards: Obwohl jeder Standard bei korrekter Anwendung auf dasselbe Gebläse dieselben Leistungsdaten liefern sollte, weisen die einzelnen Standards methodische Unterschiede auf.

Dieser Artikel befasst sich mit den Grenzen, die für die Bestimmung dessen festgelegt werden, was in das Gebläsepaket aufgenommen wird, wie die Ähnlichkeit mit den einzelnen Normen erreicht wird und welche Datenvalidierung jede Norm erfordert, um einen direkten Vergleich zwischen zwei beliebigen Gebläsen unabhängig von ihrer Technologie zu ermöglichen.

Am Ende des Artikels ist eine Tabelle zum Vergleich der wichtigsten Punkte der drei Prüfstandards beigefügt.

ASME PTC 13 - 2018: Prüfnorm für die Leistungsmessung von Gebläsesystemen (Stromversorgung-Luft-Kennlinie)

ASME ist sowohl national als auch international für seine Prüfnormen bekannt.

Wie der Name schon sagt, konzentriert sich die Norm auf komplette Gebläsesysteme bzw. -anlagen und liefert eine Leistungskennzahl, die das Verhältnis von Eingangsleistung zu Auslassvolumenstrom angibt. Dieses Konzept ist als „Wire-to-Air“ bekannt und weicht von den bisherigen Leistungsstandards ab, die sich primär auf die Leistung der Verdichterstufe und nicht auf die Gesamtleistung der Anlage konzentrierten.

Ziel der Norm ist es, die Anforderungen kompletter Maschinen wie Hochgeschwindigkeits-Turbogebläse und Schraubengebläse zu erfüllen, die als Komplettsysteme entwickelt, gefertigt, vertrieben und eingesetzt werden. Diese Komplettsysteme bestehen aus Verdichterstufe, Antriebsmotor, Frequenzumrichter und weiteren Komponenten. Die Norm betrachtet diese Maschinen als geschlossene Einheit, die Luft ansaugt, sie zu einem Auslassrohr leitet und dabei Energie verbraucht.

Grenzen der thermodynamischen und elektrischen Leistungsfähigkeit

Die Norm legt die typische Grenzschicht für ein Gebläsesystem fest, um klar zu definieren, welche Komponenten zum System/Paket gehören. Die Paketgrenzen sind unterteilt in eine thermodynamische und eine elektrische Leistungsgrenze. Die thermodynamische Grenze konzentriert sich auf die Verdichterstufe und ihre Steuerung, die elektrische Grenze auf den Antriebsmotor und seine Steuerung. Diese beiden Grenzen ermöglichen es Käufer und Lieferant, die in die Paketprüfung einzubeziehenden Komponenten auszuhandeln.

Ziel ist es, alle für den Betrieb der Maschine erforderlichen Komponenten zu identifizieren und diese sowohl in den Maschinentest als auch in die im Angebot präsentierten Daten einzubeziehen.

Wo sollen die Messungen durchgeführt werden?

Der nächste wichtige Punkt ist der Testaufbau. Um die Leistungsfähigkeit im Betrieb zu gewährleisten, ist der Testaufbau von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass das gesamte System/Paket und alle betroffenen Komponenten berücksichtigt werden.

Die im Test zu berücksichtigenden Parameter wurden durch die Testgrenzen festgelegt, die Positionierung der Messgeräte ist jedoch ebenso wichtig. Ziel ist es, den Saugdruck und die Temperatur zu erfassen, bevor die Luft die Gehäusegrenze erreicht, im Gegensatz zur Messung von Druck und Temperatur der Luft am Auslass der Grenzschicht.

Der Durchfluss wird stromabwärts der Gehäusegrenze und die Leistung am Eingang der Gehäusegrenze gemessen. Theoretisch ermöglicht dies die Berücksichtigung aller internen Durchflussverluste und aller Leistungsverbraucher. Druck- und Temperaturmessungen sind erforderlich, um die Testbedingungen während der Datenvalidierung präzise auf die garantierten Bedingungen zurückzurechnen.

Wie man den Durchfluss misst

Für die Durchflussmessung ist es wichtig, den Luftstrom am Auslass zu bestimmen, da nicht die gesamte am Gebläseansaugflansch oder Maschineneinlass angesaugte Luft den Auslass erreicht. Dieser Luftstrom kann durch interne Schlupfverluste verloren gehen oder zur Kühlung oder für andere Zwecke abgeleitet werden. Die Messung im Auslassrohr ist die genaueste Methode, um den gelieferten Luftstrom unter Druck zu bestätigen.

Leistungsmessungen

Die Leistungsmessung ist ebenso wichtig, da jahrelang die Gebläsewellenleistung gemessen und daraus theoretisch die Gesamtleistungsaufnahme der Anlage abgeleitet wurde. Da nun komplette Maschinen vorliegen, kann die tatsächliche Leistungsaufnahme der Maschine mit einem einzigen Leistungsmesser gemessen werden. Alle Hilfspumpen, Lüfter und andere Geräte verbrauchen Strom und müssen daher ebenfalls in die Messung einbezogen werden.

Datenvalidierung und Methodik

Der letzte Teil der Norm, der behandelt wird, ist die Datenvalidierung. Die Norm liefert die erforderliche Methodik zur Quantifizierung der thermodynamischen Betriebseigenschaften, der Ähnlichkeitspunkte und zur Validierung der Testergebnisse im Hinblick auf die prognostizierten garantierten Bedingungen.

Hier werden auch die wichtigen Vergleichskriterien festgelegt. Im Fall von PTC-13 lassen sich diese wie folgt identifizieren::

• Volumenverhältnis
• Volumenstrom
• Isentropischer Druck (spezifische Leistung von Draht-Luft)
• Mach-Zahl
• Entladedruck

VolumenverhältnisDie Luftdichte unter den Testbedingungen wird als Vergleichspunkt für die Luftdichte unter den garantierten Bedingungen verwendet. Alle Leistungstests werden in einem Labor durchgeführt, das die Standortbedingungen möglicherweise nicht vollständig nachbildet, was die Leistungsergebnisse beeinflussen kann.

Volumenstromwird aus dem gemessenen Abfluss berechnet, der unter Testbedingungen in einen Einlassdurchfluss umgerechnet wird, um ihn mit dem garantierten Einlassdurchfluss unter Standortbedingungen zu vergleichen.Isentropischer KopfDies ist der Kern dieses Tests. Dadurch wird die thermodynamische Arbeit ermittelt, die erforderlich ist, um den geforderten Durchfluss und Druck zu erreichen. Für einen vergleichbaren Test müssen die Bedingungen an beiden Teststandorten identisch sein.

MaschinennummerDies ist wiederum ein Vergleichspunkt für dynamische Maschinen. Er repräsentiert die Geschwindigkeit der Luftmoleküle, die die Rotorspitze verlassen. Diese Geschwindigkeit hängt mit der Kompressibilität des Fluids bei unterschiedlichen Luftdichten zusammen, wobei die Luftdichten wiederum von den Testbedingungen und den garantierten Bedingungen abhängen. Um Vergleichbarkeit zu gewährleisten, sollten diese Bedingungen im Test- und Garantiebetrieb ebenfalls identisch sein.

Dies sind die grundlegenden Elemente des PTC-13-Testcodes.

Warum wurden diese Prüfnormen für Gebläse entwickelt?

Als große Abnehmer von Niederdruckluft erwartet die Abwasserbehandlungsbranche von den Gebläseherstellern, dass diese Gebläse produzieren, die die vom Anwender geforderte Leistung erbringen.

Für Gebläseprüfungen sind Normen erforderlich, die einen direkten Vergleich zwischen beliebigen Gebläsen ermöglichen, unabhängig davon, ob es sich um Verdränger- oder dynamische Gebläse handelt. Die Prüfnormen PTC 13, BL300 und ISO 22484 bieten Prüfmethoden für Gebläse, mit denen sich überprüfen lässt, ob die Hersteller die beworbenen Leistungen erbringen.

Dieser Artikel hat die Unterschiede zwischen diesen Normen herausgearbeitet und dargelegt, wie diese Prüfnormen dem Marktbedürfnis nach einer einfachen, zuverlässigen und gültigen Prüfnorm gerecht werden sollen, die einen genauen Vergleich zwischen beliebigen zwei Gebläsen ermöglicht.

Obwohl die Normen dieses Ziel größtenteils auf ähnliche Weise erreichen, gibt es Unterschiede in der Anwendung der Ähnlichkeitsgesetze und der Akzeptanzkriterien.

PTC-13 ist seit 2019 auf dem Markt aktiv. ANSI/BL300 wurde 2022 als amerikanischer Nationalstandard veröffentlicht und ist über die [Website/Plattform einfügen] erhältlich.CAGI-WebsiteDie Norm ISO 22484 wird derzeit finalisiert und soll voraussichtlich im Jahr 2024 veröffentlicht werden.