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UJ 2021-3

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UMWELT JOURNAL Nr. 3/2021 mit den Themen: Kreislaufwirtschaft, Grüne Logistik, Energie, Recycling, Green Logistics, E-Mobilität, Wasserstoffspeicherung, Green Finance, Ausbildungen, Seminare, Sonderausgaben

UMWELTjournal

UMWELTjournal 3/2021 | S26 Erdgasverdichter aus dynamischer Sicht für Wasserstoff genutzt werden kann. Im nachfolgenden wird ein empfohlener Weg skizziert. Pulsationstechnische Aspekte an Kolbenverdichteranlagen Der Kolbenverdichter (Bild 3) kann aufgrund seiner oszillierenden Arbeitsweise in verschiedenen Betriebsbereichen bei nahezu beliebigen Druckverhältnissen eingesetzt werden. Er überzeugt dabei insbesondere durch seine Robustheit und den ausgezeichneten Wirkungsgrad. Nachteilig zeigt sich hingegen der hohe Instandhaltungsaufwand sowie die dynamischen Kräfte, die zu erhöhten Schwingungen führen können. Die Veränderung der Akustik des Pulsationsdämpfers sowie der Einfluss auf die Rohrleitungsakustik beschreiben die resultierende Interaktion des Verdichters mit der Anlage. Verdichtungsvorgang Die wesentliche Änderung während der Verdichtung in der Arbeitskammer eines jeden Kompressors ist der deutlich steilere Druckanstieg in Abhängigkeit vom Kammervolumen (Bild 4). Dieser resultiert aus dem stoffspezifischen Isentropenexponenten. Aufgrund der sehr schnellen Verdichtung in der Arbeitskammer kann hier von einem isentropen Vorgang ausgegangen werden. Bei gleichem Kammervolumen zu Beginn der Verdichtung wird der Enddruck deutlich schneller erreicht, welches formal über die Isentropenbeziehung Gl. (5) betrachtet werden kann. Um Schwingungen bereits in der Planungsphase zu vermeiden, werden im Vorfeld Berechnungen in Form von Pulsationsstudien durchgeführt, die unter anderem Aufschluss über die Auslegung und Dimensionierung von Pulsationsdämpfern geben. Diese werden möglichst nahe an die Zylinderflansche installiert und ermöglichen eine erste signifikante Reduktion der Druckpulsationen. Einflüsse von Wasserstoff auf das Pulsationsverhalten von Kolbenverdichtern Die Nutzung von Wasserstoff hat zahlreiche physikalische Einflüsse auf das Pulsationsverhalten von Kolbenverdichtern (Bild 4). Der Verdichtungsvorgang sowie das Ansaugen in und Ausschieben aus der Arbeitskammer lassen sich dem eigentlichen Arbeitsprinzip des Verdichters zuordnen. Anhand der Gleichung wird deutlich, dass bei größeren Isentropenexponenten und gleichem Druckverhältnis bereits zu einem früheren Zeitpunkt der Enddruck im Kammervolumen erreicht wird. Dieser Effekt tritt gleichermaßen auch bei der Expansion nach Beendigung des Ausschiebens auf. Der Umstieg auf Wasserstoff führt somit zu einem größeren Volumenstrom gegenüber dem Betrieb mit Erdgas. Dieser Effekt ist jedoch nebensächlich, wenn man die Relation der beiden Stoffdichten berücksichtigt, die sich je nach Zustand etwa um den Faktor 9 unterscheiden. Daraus resultiert ein deutlich niedrigerer Fördermassenstrom. Ansaugen / Ausschieben Die Änderungen während der eigentlichen Verdichtung in der Arbeitskammer haben auch Auswirkungen auf den Ansaug- und Ausschiebevorgang. In Bild 4 (oben rechts) ist der druckseitige Ausschiebevorgang anhand der Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit des Kurbelwinkels dargestellt. Dabei wird deutlich, dass die Verdichterventile bei dem Betrieb mit Wasserstoff etwas früher öffnen, da der Enddruck eher erreicht wird. Auf der Saugseite gelten dieselben Zusammenhänge, wodurch sich die akustische Anregung durch den Ansaug- oder Ausschiebeprozess verändert. Diese wiederum beeinflussen einzelne höherharmonische Komponenten deutlich.

Dieser Effekt hat einen positiven Einfluss auf das Pulsationsniveau. Die deutlich niedrigere Schallimpedanz (Produkt aus Schallgeschwindigkeit und Dichte des Mediums) führt zu niedrigeren Druckschwankungen bei gleichbleibenden Geschwindigkeitsschwankungen. Während die induzierten Geschwindigkeitsschwankungen also aufgrund des ähnlichen Volumenstroms auf einem gleichartigen Niveau bleiben, sind die induzierten Druckschwankungen hier niedriger. Pulsationsdämpfer Die Auslegung der Pulsationsdämpfer entscheidet maßgeblich über das schwingungstechnische Betriebsverhalten einer Kolbenverdichteranlage. Daher werden diese in der Regel individuell für den jeweiligen Prozess ausgelegt und gefertigt. Eine entscheidende Einflussgröße ist dabei die Schallgeschwindigkeit des Fördermediums. Daher ist es unabdingbar zu prüfen, welches Pulsationsverhalten sich beim Betrieb mit Wasserstoff einstellt. In Bild 4 (unten links) ist exemplarisch die Dämpferwirkung für einen hochwertigen Pulsationsdämpfer in Zwei-Kammer-Bauweise mit dazwischen liegendem „Choke-Tube“ dargestellt. Diese Bauform wird häufig für Erdgasverdichter gewählt. Wird derselbe Verdichter nun jedoch mit Wasserstoff betrieben, verschiebt sich die akustische Einfügungsdämpfung aufgrund der höheren Schallgeschwindigkeit. Infolgedessen wird die Ausstoßfrequenz nun deutlich weniger stark gedämpft, was unmittelbar zu erhöhten Schwingungen führt. Rohrleitungsakustik Die aus dem Pulsationsdämpfer austretenden Pulsationen treffen anschließend auf das Rohrleitungssystem, in dem sogenannte „akustische Resonanzen“ auftreten können. Eine akustische Resonanz tritt immer dann ein, wenn die Länge eines akustischen Rohrleitungsabschnitts und die Anregungsfrequenz einer Erregerquelle unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit in einem konkreten Verhältnis zueinanderstehen. Ein geschlossener Rohrleitungsabzweig wird in diesem Kontext als „akustisch geschlossen“ bezeichnet, während ein Rohrleitungsanschluss an einem Behälter einem „akustisch offenen“ Ende entspricht. In Bild 4 wird deutlich, dass in Rohrleitungsabschnitten üblicherweise eine Vielzahl von akustischen Resonanzen auftreten können. Der wesentliche Unterschied zwischen der Lage der Resonanzfrequenz bei Erdgas und Wasserstoff resultiert erneut aus den stark unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten. Zusätzlich zeigt sich, dass die bei der Planung von Bestandsanlagen zur Dämpfung akustischer Resonanzen installierten Drosselelemente (in der Regel einfache Blenden oder Pulsations-Dämpferplatten) einen deutlich niedrigeren Dämpfungseinfluss besitzen. Dadurch treten Resonanzeffekte beim Förderfluid Wasserstoff stärker hervor als bei dem Betrieb mit Erdgas.

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