Systematische Analyse von Druckluftleckagen

Abstract

Die Steigerung der Energieeffizienz ist das zentrale Element der Strategie der Bundesregierung, um das Gelingen der Energiewende zu ermöglichen. Bis zum Jahr 2050 soll der Primärenergieverbrauch um 50 % gesenkt werden. Der Strombedarf industrieller Druckluftsysteme in Deutschland beträgt circa 16 TWh/a, was einem Anteil von 7 % des Gesamtstrombedarfs der Industrie entspricht. Gleichzeitig existieren große, wirtschaftliche Einsparpotentiale im Bereich der Druckluftsysteme. Das größte Einsparpotential, mit einer Einsparung von bis zu 2,5 TWh/a, liegt in der Identifikation von Druckluftleckagen und deren Beseitigung. Trotz des großen Potentials sind Druckluftleckagen wenig wissenschaftlich untersucht. Ziel dieser Arbeit ist es, Druckluftleckagen systematisch zu untersuchen. Hierzu fokussiert sich die Arbeit auf drei Forschungsschwerpunkte: Leckageberechnungen, Leckageströme und Leckagequantifizierung. Zunächst werden die physikalischen Grundlagen von Druckluftleckagen hergeleitet, auf deren Basis ein Berechnungsmodell für den Leckagestrom entwickelt wird. Die beiden weiteren Kernthemen werden experimentell untersucht, hierfür wird ein Versuchsstand konzipiert und aufgebaut. Im zweiten Forschungsschwerpunkt werden die Leckageströme einer großen Anzahl an Prüfkörpern mit idealisierter und realitätsnaher Leckagegeometrie ermittelt. Ebenso werden mögliche Einflussfaktoren auf den Leckagestrom von Leckagestellen untersucht. In einem letzten Schritt wird überprüft, inwiefern sich die Schallsignale einer Druckluftleckage eignen, um den Leckagestrom anhand des Signals indirekt zu quantifizieren. Die Ergebnisse der Arbeit teilen sich auf die betrachteten Forschungsschwerpunkte auf. In Bezug auf das Themenfeld Leckageberechnungen werden analytische Gleichungen aufgestellt, die eine idealisierte Bestimmung des Leckagestroms ermöglichen. Das entwickelte Berechnungsmodell ermöglicht die Durchführung von Sensitivitätsanalysen relevanter Eingangsparameter. Bei der experimentellen Untersuchung von Leckagen können die wichtigsten Einflussfaktoren auf den Leckagestrom bestimmt werden, diese sind: Der Leckagedruck, die Leckagefläche, sowie die Leckagegeometrie. Die Temperatur hat nur einen geringen, der Wassergehalt der Druckluft keinen, messbaren Einfluss. Ideale Leckagen weisen gegenüber den meisten realen Leckagen einen deutlich höheren Leckagestrom auf. Reale Leckagen, mit Ausnahme von Schlauchrissen, liegen für Drücke von 5 bis 7 bar(ü) in den meisten Fällen unter 100 l(N)/min, in vielen Fällen sogar unter 20 l(N)/min. In der Arbeit kann zudem gezeigt werden, dass eine indirekte Leckagebewertung durch die Analyse des Schallsignals möglich ist. Zur Betrachtung wird der Leckagestrom in Bezug zum Schalldruckpegel bei 40 kHz gesetzt. Die Genauigkeit des Verfahrens kann durch die Berücksichtigung des, in dieser Arbeit eingeführten, Leckagegeometriefaktors deutlich gesteigert werden. In einer abschließenden Validierung konnte gezeigt werden, dass 71 % der indirekt bestimmten Leckageströme eine Abweichung von kleiner ± 40 % besitzen. Werden Prüfkörper des Typs Verschraubungen von der Auswertung ausgeschlossen steigt der Anteil der Messwerte in diesem Intervall auf 89 %.