Maßgeschneiderte Lösungen für die pneumatische Förderung

1 Einleitung
Wenn ein Unternehmen ca. 99,5 % der von einem ölfrei verdichtenden Schraubenkompressor erzeugten Druckluft als pneumatische Förderluft einsetzen kann und nur ca. 0,5 % zur Erhaltung eines konstanten Druckes in die Atmosphäre abgeblasen werden müssen, arbeitet das System mit einer in der Praxis nicht mehr zu überbietenden Wirtschaftlichkeit. Die Südharzer Gipswerk GmbH in Sulzheim südlich von Schweinfurt verwendet seit mehr als 20 Jahren ausschließlich Schraubenverdichter und Drehkolbengebläse der Aerzener Maschinenfabrik in Hameln. Aktuell arbeiten 18 Aerzener Aggregate (Bilder 1–3) am Standort Sulzheim, davon drei Aggregate in einer zentralen Station. Im Februar 2008 wurde die jüngste Anlage, ein ölfrei verdichtender Schraubenkompressor des Typs VML 18 R-G5 (Bild 4) aus der neuen Delta Screw Generation 5, für die pneumatische Förderung in Betrieb genommen.
 
2    Produktion seit 60 Jahren
Die Südharzer Gipswerk GmbH produziert in Sulzheim, einem von vier Produktionsorten des Unternehmens, seit ca. 60 Jahren Gips, der dort „unmittelbar vor der Haustür“ abgebaut wird. Produziert werden hochwertige Spezialgipse u.  a. für die Herstellung von Keramikformen und Schulkreide, die z.T. weltweit vertrieben werden. Ferner werden – überwiegend für den deutschen Markt – Maschinen-, Handputz- und Stuckgipse für den Bausektor hergestellt. Die jährliche Gesamtproduktion im Werk Sulzheim liegt aktuell bei ca. 150 000 t. „Druckluft benötigen
wir für zwei Bereiche: zur Steuerung unserer Produktions­anlagen in kleinerer Menge, aber mit höherem Druck. Außer­dem brauchen wir sie in großer Menge, aber mit einem niedrigen Druck, für die pneumatische Förderung unserer staubförmigen Produkte in einem umfangreichen Rohrleitungssystem“, erläutert Werksleiter Helmut Weiss (Bild 5).
 
3    Ölfrei verdichtete Druckluft bis 3 bar (abs.)
Diese Förderluft muss zwei wichtige Voraussetzungen erfüllen. Sie muss für eine hohe Qualität der Produkte ölfrei verdichtet sein. Für spezielle Gipsprodukte muss ganzjährig eine Drucklufttemperatur von ca. 50 bis 70 °C sichergestellt werden. Bei dieser Temperatur gibt Gips kein Wasser ab, dehydriert also nicht. Außerdem wird sichergestellt, dass der Gips – speziell im Winter – keinen Kälteschock bekommen kann. Zur Erzeugung dieser Förderluft setzt das Unternehmen auf dem Werksgelände dezentral installierte Drehkolbengebläse ein. Außerdem arbeiten in einer zentralen Druckluftstation zwei ölfrei verdichtende Schraubenverdichter und ein weiteres Drehkolbengebläse. Sämtliche Aggregate wurden von der Aerzener ­Maschinenfabrik in Aerzen bei Hameln geliefert und sind teilweise seit mehr als 15 Jahren in Betrieb.
 
Die zentrale Station befindet sich in unmittelbarer Nähe eines sog. Ursprungssilos, aus dem das bereits pulverförmige Rohmaterial durch ein Rohrleitungssystem zu den einzelnen, bis zu 200 m entfernten Weiterverarbeitungsanlagen gefördert wird. Zu diesem pneumatischen Fördersystem sieht Werksleiter Weiss keine Alternative, weil es keine Lösung gibt, die mit einer so hohen Leistungsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit und Wartungsfreundlichkeit arbeitet. Die ölfrei verdichtete Druckluft wird mit max. 3 bar (abs.) in die Transportleitung eingespeist. In diese Transportleitung tritt der pulverförmige Gips in präziser Dosierung unterhalb des Ursprungssilos in einer Übergabestation ein. Dazu Werksleiter Weiss: „Die Kunst liegt darin, die Druckluftmenge und die Eintrittsmenge der Gipssorten mit unterschiedlichem Schüttgewicht so optimal wie möglich aufeinander abzustimmen. Ziel ist es, mit einer möglichst kleinen Druckluftmenge eine möglichst große Gipsmenge bis an das Ende der bis zu 200 m langen Förderleitungen zu transportieren.“
 
4    Zentrale Station für ölfrei verdichtete Druckluft bis 3 bar (abs.)
Aktuell arbeitet in der zentralen, von außen zugänglichen Druckluftstation seit Februar 2008 ein ölfrei verdichtender, riemengetriebener Schraubenkompressor des Typs VML 18  R-G5 der Aerzener Maschinenfabrik. Diese Anlage der neuen Delta Screw Generation 5 liefert einen Ansaugvolumenstrom von ca. 1000 Nm3/h mit einem Austrittsdruck von max. 3,0 bar (abs.). Sie wird von einem besonders energieeffizient arbeitenden Motor der Klasse EFF1 mit 75 kW Nennleistung angetrieben. Weil die Druckluft nur unterhalb des Ursprungssilos in das Transportnetz eingespeist wird, muss sichergestellt sein, dass der Gips immer in Bewegung ist und nicht durch Ablagerungen im Leitungssystem zu Verstopfungen führt. Damit evtl. auftretende Ablagerungen nicht zum Abschalten des Verdichters führen, ist ein Überströmregler vorgesehen. Er wird bei der pneumatischen Förderung von der Menge des in das Leitungssystem eingetragenen Fördergutes bestimmt. Der Verdichter komprimiert „gegen das System“: Wenn der Druck im Fördersystem sinkt, reduziert sich parallel die Leistung des Verdichters. Im konkreten Fall verfügt der Motor zwar über eine Nennleistung von 75 kW, seine max. Kupplungsleistung beträgt aber nur
57 kW. Das Rohrleitungssystem gibt über seine Widerstände den Druck vor. Dementsprechend entwickelt sich die Leistungsaufnahme des Verdichters. Das bedeutet, wenn das Leitungssystem 10  % weniger Druck fordert, vermindert sich die Leistungsaufnahme (ggfs. abzüglich Wirkungsgrad) analog von 57 auf ca. 51 kW.
 
Die neue leistungsfähigere Verdichteranlage vom Februar 2008 ersetzt einen 16 Jahre alten Aerzener Schraubenverdichter
des Typs VM 137 D mit einem Anlagenvolumenstrom von ca. 850 Nm³/h. Die noch vorhandene baugleiche Anlage, ebenfalls Baujahr 1992, bedient im Normalfall einen anderen Betriebsbereich, kann aber in Sonderfällen als Redundanzanlage für den neuen Schraubenverdichter VML 18  R-G5 eingesetzt werden. Außerdem arbeitet in der zentralen Station ein Aerzener Drehkolbengebläse des Baujahres 1992. Die von dieser Anlage diskontinuierlich erzeugte Druckluft wird über ein separates Rohrleitungssystem in den Silobehälter eingeblasen und verhindert dort im Austrittsbereich ein Verdichten des Materials und damit ein Verstopfen des Austritts. Die zur Verdichtung erforderliche Zuluft tritt von außen über ein Kanalsystem in die ganzjährig frostfreie Station ein. Eine Aufbereitung (z.  B. Trocknung) der für die pneumatische Förderung durch ölfreie Verdichtung erzeugten Druckluft ist in Sulzheim nicht erforderlich. Sie kann aber in anderen Einsatzbereichen und bei stärker hygroskopischen Produkten (z.  B. bei Zucker) einsatzabhängig notwendig werden.
 
5    Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit
Eine Alternative zu den Anlagen der Aerzener Maschinenfabrik hat es für Werksleiter Helmut Weiss bisher nicht gegeben: „Seit mehr als 15 Jahren arbeiten in unserem Werk im Bereich der pneumatischen Förderung Aerzener Drehkolbengebläse und Schraubenverdichter. Wir schätzen die große Fachkompetenz der Mitarbeiter, die maßgeschneiderte Umsetzung aller Projekte und die hohe Zuverlässigkeit der Produkte. Fällige ­Service-
arbeiten wurden immer zu unserer vollsten Zufriedenheit erledigt. Deshalb haben wir bei jedem neuen Bedarfsfall mit gutem Gewissen auf die Aerzener Aggregate vertraut. Durch ihre ­schmale, kompakte Bauform der “Delta Screw Generation 5” mit Schallhaube und durch die Möglichkeit der Wand-an-Wand-Aufstellung aufgrund des frontseitiges Bedienkonzeptes ist sie bei der Enge in unserer Station besonders geeignet.“
 
Werkstattleiter Anton Konrad schätzt neben der Zuverlässigkeit besonders die Wartungsfreundlichkeit und den geringen ­Wartungsaufwand aller Aerzener Aggregate. Laufende Kontrollen und „normale“ Wartungen werden durch eigenes Personal und nur Generalüberholungen durch Aerzener-Mitarbeiter durchgeführt. Selbst nach Laufzeiten von 75 000 Bh war bisher kein Austausch wesentlicher und teuerer Komponenten erforderlich. „Die Verdichter und Gebläse arbeiten bei uns durch den hohen Gipsstaubanfall branchenbedingt unter deutlich erschwerten Bedingungen. Trotzdem haben sie uns noch nie in Stich gelassen“, versichert Werkstattleiter Konrad. In Sonderfällen kann die Aerzener für befristete Zeiträume über ihre Tochterfirma AIR auch Mietaggregate als Redundanzleistung zur Verfügung stellen.
 
6    Neue Installationen
Der neue Aerzener Schraubenverdichter VML 18  R-G5 der ­„Delta Screw Generation 5“ wird aus Sicherheitsgründen in Abstimmung mit dem Mischbetrieb und der Produktionsanlage grundsätzlich von Hand eingeschaltet. Er liefert kontinuierlich die vorgegebene Druckluftmenge mit einem max. Höchstdruck von 3,0 bar. Die Anlage wurde im Vorfeld der Kaufentscheidung durch eine detaillierte Auslegung maßgeschneidert auf die ­Anforderungen des Fördersystems in Sulzheim abgestimmt. Dabei mussten nicht nur ein schwankendes Schüttgewicht, sondern auch der zusätzliche Bedarf für die Abreinigung der Filterflächen in den Zielsilos berücksichtigt werden. Für die Einhaltung des konstanten Höchstdrucks von 3,0 bar (abs.) wurde die Anlage mit einem Überströmregler ausgerüstet. Er öffnet, sobald der eingestellte Druck im angeschlossenen System überschritten wird. Dann verhindert ein kontrolliertes Abblasen das Überschreiten des Verdichtungsenddrucks und garantiert so die geforderte Kontinuität der pneumatischen Förderung unter optimalen Bedingungen. Der Verdichter schaltet nach dem Erreichen des vorgegebenen Enddrucks also nicht ab, weil sich bei einer pneumatischen Förderung das im Leitungssystem befindliche Material dann sofort absetzen und die Leitungen verstopfen würde. Sie könnten dann nur mit hohem manuellem Einsatz gereinigt werden. Der Überströmregler arbeitet mit sehr hoher Regelgenauigkeit, kurzer Ansprechzeit und unabhängig von Fremdenergie durch einen vordruckgesteuerten Membranantrieb. Ein Austrittsschalldämpfer kann zur Reduzierung des Schalldruckpegels um bis zu 20 dB nachgeschaltet werden. Die Abschaltung des Verdichters erfolgt in Sulzheim vollautomatisch, sobald der aktuelle Silo befüllt und die zu gehörigen Rohrleitung freigeblasen wurde. Die Verdichteranlage wird von einem zentralen Leitstand überwacht.
 
„Bei unserer Förderlufterzeugung konnten wir fast ein ideales 1:1-Verhältnis erreichen. Wir gehen davon aus, dass wir die erzeugte Förderluft in 99,5  % der Verdichterlaufzeit zur Förderung unserer staubförmigen Güter in unserem Transportsystem einsetzen. Dieses optimale Ergebnis verdanken wir zunächst dem Anlagenbauer, der die erforderliche Luftmenge sehr genau ermittelt hat. Auf der Basis dieser Vorgabe haben die Spezialisten der Aerzener Maschinenfabrik einen maßgeschneiderten, energieoptimierten Verdichter geliefert, sodass wir die Materialförderung mit höchstmöglicher Wirtschaftlichkeit durchführen können. Unser Ziel, mit möglichst wenig Druckluft möglichst viel Material zu transportieren, haben wir mit einer Punktlandung erreicht“, lobt Werksleiter Weiss.
 
7    Neue Verdichtergeneration
Bei dem in Sulzheim installierten Schraubenverdichter des Typs VML 18  R-G5 der Aerzener Maschinenfabrik handelt es sich um eine Maschine der neuen „Generation 5“. Sie basiert auf der erfolgreichen Generation 4, deren Merkmale systematisch weiterentwickelt und mit Innovationen verknüpft wurden. Die neue Baureihe der „Generation 5“ steht zurzeit als riemengetriebene Ausführung für Überdruck-, Unterdruck- und Stickstoffanwendungen zur Verfügung. Durch das speziell für die Delta Screw „Generation 5“ entwickelte Schallhaubensystem wurde neben dem Design der Aerzener Drehkolbengebläse Delta Blower G5 auch die Hauptforderung der Schallpegelminderung um ca. 5–6 dB(A) erfolgreich übertragen.
Die neue Baureihe umfasst sieben Baugrößen für Ansaug­volumenströme von ca. 270 bis 2600 m³/h, Antriebsleistungen von 55 bis 200 kW und Überdrücke bis 3,5 bar. Im Unterdruckbetrieb können die VML-Verdichter bis 70  % Vakuum (0,3 bar abs.) eingesetzt werden, als Sonderausführung bis zu 85  % Vakuum (0,15  % abs.). Der Kühlluftventilator wird bei diesen Anlagen auf der verlängerten Motorwelle montiert. Er arbeitet deshalb ausfallsicher, überwachungsfrei und ohne zusätzliche Fremdenergie. Die neue „Generation 5“ bietet dem Betreiber eine Reihe sehr wesentlicher Vorteile:
 
7.1 Hohe Energieeffizienz von bis zu 20 %
Höchstmögliche, lebenslange Wirtschaftlichkeit war eines der wesentlichen Entwicklungsziele für die neue Baureihe (Low Lifecycle Costs). Denn die Kosten eines Kompressors – bezogen auf dessen gesamte Lebensdauer – werden bis zu 90  % durch den Energieverbrauch bestimmt. Deshalb zahlen sich die Investitionskosten für ein Aerzener Verdichteraggregat nach kurzer Zeit wieder aus. Durch eine Reihe konstruktiver Maßnahmen konnten die Aggregate der neuen Delta Screw Generation 5 energetisch optimiert werden.
­–    Für eine maßgeschneiderte Anpassung des Verdichterprofils an den geforderten Enddruck und für eine besonders ener­gie­sparende Drucklufterzeugung liefern die Aerzener die Anlagen für Niederdruckanwendungen bis 2 bar mit einem 3+4-Profil, für Drücke bis 3,5 bar mit einem 4+6-Profil.
­–    Zusätzlich steigern zwei unterschiedliche Auslassöffnungen je Verdichterprofil die Energieeffizienz, weil sie je nach Druck
und Volumenstrom die innere Verdichtung optimieren.
­–    Weitere Einsparungen bis zu 3  % bringt der standardmäßige Einsatz von besonders energieeffizienten Motoren der Klasse EFF1.
­–    Durch spezielle Verfahren in der Druckschalldämpfung konnten die Druckverluste um bis zu 20  % reduziert werden.
 
7.2 Um bis zu 6 dB (A) reduzierte Geräuschentwicklung
Gegenüber der Vorgängergeneration konnte der Schallpegel der neuen „Generation 5“ im Schnitt um ca. 6 dB (A) – teilweise sogar darüber hinaus – ausschließlich durch Luftumlenkungen im Druckschalldämpfer gesenkt werden, sodass in vielen
Fällen kostenaufwändige Sondermaßnahmen wie z.  B. Sonderschallhauben überflüssig sind. Auf den Einsatz von Adsorptionsmaterial wurde wegen der von den Kunden geforderten Lebensmittelreinheit bewusst verzichtet.
 
7.3 ATEX-Zertifizierung als Funkensperre
Als Umsetzung der europäischen Maschinenrichtlinie 94/9/EG
für explosionsgefährdete Bereiche sind die Verdichteranlagen der neuen „Generation 5“ speziell auf die Kategorien 2 und 3
für Staub- und Gaszonen zugeschnitten und zertifiziert. In aufwändigen Tests unter Praxisbedingungen konnte das neue System der Schalldämpfung zusätzlich als Funkensperre zertifiziert werden. Dadurch kann – z.  B. bei der pneumatischen Förderung brennbarer Schüttgüter – auf externe Funkensperren verzichtet werden. Dieses neue Konzept bedeutet neben einem Höchstmaß an Anlagensicherheit eine erhebliche Kostenersparnis sowie Reduzierung der Druck- und Energieverluste.
 
7.4 Kompakt, Platz sparend, wartungsfreundlich
Platz kostet Geld. Deshalb wurden die neuen Aggregate der „Generation 5“ so konstruiert, dass sie ohne Nachteile für Service- und Wartungsarbeiten ohne Zwischenraum direkt nebeneinander (Side-by-Side) aufgestellt werden können. Alle Wartungsbereiche sind ohne Einschränkung von Bedienung und Wartung ausschließlich von der Frontseite erreichbar. Außerdem kann der Ölstand jetzt ohne Prozess- bzw. Produktionsunterbrechung bei laufender Maschine von außen kontrolliert werden.
 
7.5 Patentierter Riemenantrieb
Der auf einer Wippe montierte Antriebsmotor sorgt durch sein Eigengewicht stets für eine optimale Riemenspannung, sodass jegliches Nachspannen – auch nach längerer Betriebszeit – entfällt. Der patentierte Riemenantrieb reduziert den Wartungsaufwand und senkt die Lifecycle Costs. Außerdem ermöglicht dieses Antriebsprinzip die nachträgliche Anpassung der Leistungsdaten durch einfaches und kostengünstiges Wechseln der Keilriemenscheiben und ggf. des Antriebsmotors.
 
8 Schlussfolgerungen
„Wir haben die neue Verdichteranlage im Februar 2008 in Betrieb genommen. Obwohl es sich bei der installierten Anlage noch um eine Vorserienmaschine der neuen Generation 5 handelte, hat die Anlage sofort einwandfrei gearbeitet. In den ersten vier Wochen haben wir ihre Funktion noch regelmäßig kontrolliert. Sie arbeitete immer störungsfrei, sodass wir uns jetzt um den Verdichter gar nicht mehr kümmern. Wir können ihn praktisch „vergessen“. Zuverlässig arbeitende, auf Robustheit ausgelegte Drucklufterzeuger mit hohen Standzeiten sind in unserer Branche für eine störungsfreie und wirtschaftliche Produktion unerlässlich. Deshalb gab es für uns bisher zu den Anlagen der Aerzener Maschinenfabrik auch keine Alternative. Das wird sich höchstwahrscheinlich auch in Zukunft nicht ändern“, prognostiziert Werksleiter Helmut Weiss.