Druckluftkühler: Funktion, Einsatz und Vorteile

Die Themen im Überblick

Verschiedene Aufgaben der Druckluftkühler: Ein Überblick

Druckluft ist in industriellen Prozessen etwa für den Betrieb von Lackier- oder Strahlgeräten erforderlich. Sie eignet sich darüber hinaus aber auch, um Wärme zielgerichtet sowie effizient aus Prozessen abzuführen. Druckluftkühler, die sich als klassische Wärmetauscher hinter Kompressoren oder als stromlose Wirbelrohre direkt im Prozessaufbau befinden, kommen in allen Bereichen zum Einsatz, um die Fertigungsqualität oder die Effizienz zu steigern.

Kühlen und Trocknen von Druckluft für Druckluftwerkzeuge

Damit Druckluftwerkzeuge wie Strahl- und Lackiergeräte zuverlässig arbeiten, muss die Prozessluft sauber und vor allem trocken sein. Das zu erreichen, ist die Aufgabe von Druckluftkühlern nach Kompressoren. Die Geräte senken die Temperatur der Druckluft herab, um Feuchtigkeit kondensieren zu lassen. Filter oder Abscheider nehmen die feinen Wassertröpfchen auf und lassen nur saubere sowie trockene Luft in die Anlage einströmen. Eine Aufgabe der Druckluftkühler ist es also, Feuchtigkeit von der komprimierten Luft zu trennen. Experten sprechen daher auch von der Drucklufttrocknung.

Kühlen mit Druckluft beschreibt ein weiteres Einsatzgebiet

Druckluftkühler kommen aber nicht nur zum Trocknen der Luftmassen infrage. Sie stellen auch eine effiziente Alternative zu konventionellen Kühlsystemen dar. Ganz ohne Strom oder bewegliche Teile senken beispielsweise Vortex Tubes die Drucklufttemperatur herab, um die Luftmassen zum Kühlen von Prozessen, Werkstücken oder technischen Anlagen nutzen zu können.

Druckluft kühlen und trocknen bringt viele Vorteile

Ohne eine technische Nachkühlung kommen täglich mehrere 100 Liter Wasser über den Verdichter in das Druckluftnetz. Die Flüssigkeit gelangt mit der Außenluft in das System und führt dazu, dass Werkzeuge nicht mehr richtig funktionieren. Sie beeinflusst die Verarbeitungsqualität und erhöht im Allgemeinen auch den Wartungsaufwand der Anlagen. Sitzt ein Druckluftkühler hinter dem Kompressor, lässt sich ein Großteil der Feuchtigkeit abführen. Nachgeschaltete Anlagen arbeiten dadurch zuverlässiger, sauberer und auch effizienter.

Vorteile des Kühlens mit Druckluft direkt im Prozess

Während sich das Kühlen und Trocknen von Druckluft positiv auf spezielle Druckluftwerkzeuge auswirkt, lassen sich Prozesse, Maschinenteile und technische Anlagen wie Serverschränke mit Druckluft selbst zielgerichtet kühlen. Dazu leiten Geräte kalte Luft direkt zu Schneid- oder Presswerkzeugen. Sie führen Wärme aus Serverschränken ab, kühlen Werkstücke nach der Herstellung und sorgen für eine höhere Prozesseffizienz. Das Besondere daran: Die Technik lässt sich schnell installieren und in Betrieb nehmen. Sie sorgt damit für Abhilfe, wenn die Kühlkapazität vorübergehend nicht mehr ausreicht oder Hitzewellen zu überbrücken sind.

Druckluftkühler: Funktion von Luft- und Wasser-Wärmetauschern

Saugen Verdichter Luft aus der Umgebung an, enthält diese neben verschiedenen Verschmutzungen auch immer einen gewissen Anteil Feuchtigkeit. Während das Wasser vor der Kompression als Dampf in den Luftmassen enthalten ist, liegt es bei höheren Drücken in flüssiger Form vor, da die Luft dann weniger Dampf mitführen kann. Die Feuchtigkeit tritt in das Druckluftsystem ein und kann dort zu erheblichen Nachteilen führen. Geht es um den Schutz von Druckluftnetzen oder -werkzeugen vor Wasser, kommen daher Druckluftkühler zum Einsatz.

Kühlen der Druckluft lässt Feuchtigkeit kondensieren

Die Druckluftkühler setzen die Lufttemperatur so stark herab, dass diese nur wenig Wasser mitführen kann. Das führt zur Kondensation der enthaltenen Feuchtigkeit, wie an einer Flasche aus dem Kühlschrank. Abscheider nehmen die entstehenden Wassertröpfchen auf und führen diese aus dem Prozess ab. Die Druckluft, welche nach dem Kühler durch das System strömt, ist trockener. Sie schont die angeschlossenen Werkzeuge und sorgt in aller Regel auch für eine höhere Fertigungsqualität.

Luftkühler für kleinere bis mittlere Druckluftmengen

Geht es um die Umsetzung, kommen Wasser- und Luftkühler zum Einsatz. Wasserkühler sind im Aufbau etwas einfacher und arbeiten ohne zusätzliche Kühltechnik. Möglich ist das durch einen Ventilator, der Luft aus der Umgebung über ein Register führt. Letzteres wird von der Druckluft durchströmt, die dabei Energie an die Umgebungsluft abgibt. Ist die Temperatur am Wärmetauscher niedrig genug, kondensiert Wasser und die unter hohem Druck stehenden Luftmassen trocknen. Geeignet sind die Geräte beispielsweise als Druckluft-Nachkühler. Sie sitzen dann hinter einem Kompressor und reduzieren zuverlässig die Temperatur von etwa 0,6 bis 75 Kubikmeter Luft pro Minute beziehungsweise 40 bis 4.500 Kubikmeter Luft pro Stunde.

Wasser-Druckluftkühler für höhere Volumenströme

Sind die Volumenströme in der Anlage höher, reicht die Kühlleistung einfacher Luft-Druckluftkühler häufig nicht mehr aus. Anlagenbetreiber müssen dann zu wasserbasierten Lösungen greifen, die Kaltwasser zum Kühlen der Druckluft nutzen. Die Flüssigkeit strömt dabei im Gegenstrom an den druckluftführenden Leitungen vorbei, um möglichst viel Wärme aufzunehmen. Die Feuchtigkeit aus der Druckluft kondensiert an den Wärmeübertragerflächen und die Kaltwassertemperatur steigt. Im Sinne einer hohen Energieeffizienz lassen sich die Druckluftkühler dabei nicht nur zum Trocknen der Luftmassen nutzen. Sie stellen auch eine Energiequelle dar, um Wasser für nachfolgende Prozesse vorzuwärmen. Infrage kommt das Verfahren für Volumenströme von etwa 1,0 bis 640 Kubikmeter pro Minute beziehungsweise 60 bis zu 38.400 Kubikmeter pro Stunde.

Zuverlässige Zyklonabscheider führen Feuchtigkeit ab

Beim Durchströmen der Druckluftkühler entstehen Wassertröpfchen, die zuverlässig aus dem System abzuführen sind. Diese Aufgabe übernehmen zum Beispiel sogenannte Zyklonabscheider, die den Druckluftstrom in eine Drehbewegung versetzen. Wasser, Öle und andere schwere Partikel schleudern dabei nach außen an die Wandung, wo sie an Prallscheiben in einen Sammelbehälter laufen. Wichtig zu wissen ist, dass Betreiber das Kondensat nicht ohne Weiteres in die Kanalisation einleiten dürfen. So ist bei Druckluftsystemen mit Öleinspritzung ein zusätzlicher Wasser-Öl-Abscheider erforderlich. Dieser trennt beide Medien voneinander und sorgt dafür, dass Öl nicht unbemerkt in die Umwelt gelangt.

Verschiedene Einsatzbereiche für Druckluftkühler

Wann die Geräte zum Einsatz kommen, hängt in erster Linie von der Art und der Funktion der Druckluftkühler ab. So eignen sich Wasser- und Luft-Wärmetauscher als Druckluft-Nachkühler hinter einem Kompressor. Sie unterstützen eine effektive Trocknung der Luftmassen und kommen daher in großem Druckluftanlagen zum Einsatz.
Interessant sind die Lösungen dabei, wenn es um die Versorgung von Druckluftwerkzeugen wie Lackier- und Strahlgeräten geht. Sie sorgen dort für eine höhere Qualität der Fertigung, erhöhen die Lebensdauer von Druckluftsystemen und halten die zuverlässige Funktion pneumatischer Steuerungen lange aufrecht.

Wirbelrohrkühlung mittels Vortex Tube: Funktion einfach erklärt

Eine Alternative zu den Wärmetauschern sind Druckluftkühler in Form eines Wirbelrohrs. Diese sogenannten Vortex Tubes kommen immer dann zum Einsatz, wenn die Druckluft selbst dem Kühlen von Prozessen oder Anlagen dient. Die Technik funktioniert ohne bewegliche Teile. Sie ist wartungsfrei, meist stromlos, schnell zu installieren und einfach an die individuellen Gegebenheiten anpassbar. Mögliche Leistungswerte liegen dabei je nach Ausführung und Größe zwischen etwa 100 und 3.000 Watt.

Zuverlässige Funktionsweise der Wirbelrohrkühlung mit Vortex Tubes

Das Wirbelrohr, welches 1928 eher zufällig von George Ranque entwickelt wurde, besteht einfach beschrieben aus einem langen Rohr mit einem seitlichen Druckluftanschluss. Strömen die Luftmassen ein, versetzt der Aufbau der Wirbelrohre diese in eine Drehbewegung. Die Luft strömt daraufhin mit bis zu 1.000.000 Umdrehungen pro Minute zum Ende des Rohrs. Sie erwärmt sich dabei und erreicht ein Steuerventil, an dem etwas Heißluft aus dem System austritt. Die übrigen Luftmassen strömen ebenfalls wirbelnd durch das Innere des äußeren Wirbels zu einer Öffnung an der anderen Seite des Druckluftkühlers. Sie geben thermische Energie an den äußeren Wirbel ab und treten selbst als Kaltluft aus dem System aus.

Abkühlung um bis zu 70 Grad Celsius ist druckabhängig möglich

Abhängig vom Druck lassen sich die Luftmassen auf diese einfache Weise um bis zu 70 Grad Celsius abkühlen. Während die hohen Werte bei einem Systemdruck von 7 bar erreichbar sind, ist bei 1 bis 2 bar eine Abkühlung von 15 bis 30 Grad Celsius möglich. Die Temperatur der Heißluft steigt dabei um 10 bis zu über 100 Grad Celsius, wodurch sich teilweise interessante Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung ergeben.

Einstellschraube ermöglicht die präzise Einstellung der Kühlleistung

Die Einstellung der Kühlung ist über das Ventil am Ende des Druckluftkühlers möglich. Erhöhen Anwender den Kaltluftanteil durch das Schließen des Ventils, bekommen sie viel Luft mit geringer Unterkühlung von etwa 15 bis 30 Grad Celsius. Öffnen sie das Ventil, um den Kaltluftanteil zu erhöhen, erhalten Anwender weniger kalte Druckluft. Die Unterkühlung steigt dabei jedoch druckabhängig auf 30 bis 70 Grad Celsius.

Weder Strom noch Kältemittel sind zur Vortex Kühlung erforderlich

Das Besondere an der Wirbelrohrkühlung mit einem Vortex Tube ist die Tatsache, dass der Prozess ganz ohne konventionelle Kältetechnik auskommt. Die Wirbelrohre selbst beinhalten keine drehbaren Teile. Sie verbrauchen direkt keinen Strom, erzeugen keine Funken und sind daher für viele Bereiche geeignet.

Wirbelrohrkühler eignen sich für Werkzeuge, Werkstücke und Anlagen

Die Wirbelrohrkühlung mittels Vortex Tube kommt anders als die Druckluftkühlung mit Luft- oder Wasser-Wärmetauscher seltener in Druckluftsystemen zum Einsatz. Sie eignet sich vielmehr zur Kühlung von Werkzeugen, Formteilen oder technischen Anlagen, wie die folgende Übersicht zeigt:

Die folgenden Abschnitte zeigen den Einsatz der Wirbelrohrkühlung an vier konkreten Beispielen aus der Praxis.

Serverkühlung ohne konventionelle Kühltechnik

Ein Einsatzbereich der Vortex Tubes ist die Serverraumkühlung. Druckluftkühler lassen sich dabei sehr schnell einbauen, mit einer Druckluftleitung verbinden und in Betrieb nehmen. Sie blasen daraufhin kalte Luft in Serverschränke, um Wärme nach außen abzuführen. Die Anlagen kommen ohne Kältemittel oder Ähnliches aus. Sie eignen sich damit zur Überbrückung von Hitzeperioden oder als Ersatz, wenn die konventionelle Kühltechnik ausgefallen ist.

Kühlen und Aushärten von Press- und Gießformen

Interessant sind Druckluftkühler auch beim Pressen oder Gießen. Die Vortex Tubes blasen dabei gezielt kalte Luft zum Werkstück, um dessen Temperatur nach der Herstellung schnell zu reduzieren. Die Materialien härten dadurch schneller aus. Anlagen können in der gleichen Zeit mehr produzieren und die Effizienz von Prozessen steigt.

Messer, Blätter und andere Schneidwerkzeuge kühlen

Wirbelrohre kühlen Druckluft auch, um Wärme von Schneidwerkzeugen abzuführen. Die kalte Luft strömt dabei über Backen direkt zu den Werkzeugen. Sie sorgen dauerhaft für optimale Temperaturen und können ihre Leistung mit einer elektronischen Regelung automatisch an den aktuellen Bedarf anpassen.

Kühlung und Entfeuchtung von Gasproben im Labor

Auch im Labor kommen Druckluftkühler zum Einsatz. Genügen kleine Volumenströme, leiten Wirbelrohre Kaltluft dabei über einen Wärmetauscher an einer Gasprobe vorbei. Letztere kühlt dabei so stark ab, dass der enthaltene Wasserdampf kondensiert. Ein Abscheider zieht Wasser aus dem Prozess und die Proben lassen sich zuverlässig analysieren.

FAQ: Häufige Fragen und Antworten

Warum ist es wichtig, Druckluft zu trocknen?

Warme Luft enthält Wasserdampf. Steigt der Druck beispielsweise durch einen Kompressor an, können die Luftmassen weniger Wasserdampf mitführen und die Feuchtigkeit fällt in Form kleiner Wassertröpfchen aus. Diese beeinflussen die Funktion von Strahlwerkzeugen wie Lackierpistolen oder Strahlgeräten negativ. Um das zu verhindern und den Wartungsaufwand zu reduzieren, ist es sinnvoll, Druckluft zu trocknen.

Wie funktioniert die Trocknung von Druckluft?

Eine zuverlässige Möglichkeit ist die Druckluftkühlung. Dabei strömen die Luftmassen nach dem Kompressor über einen Luft- oder Wasser-Wärmetauscher. Sie geben Energie ab, wodurch ihre Temperatur sinkt. Das führt zur Kondensation von Wasser an den Wärmetauscherflächen. Die Feuchtigkeit wird daraufhin etwas mitgerissen und beispielsweise in Zyklonabscheidern aus dem Prozess entfernt.

Lässt sich Luft ohne Kältetechnik kühlen?

Ja! Mit der sogenannten Wirbelrohrkühlung ist es möglich, Luftmassen ohne konventionelle Kältetechnik herunter zu kühlen. Je nach Druck und Einstellung der sogenannten Wirbelrohre lassen sich die Drucklufttemperaturen dabei um bis zu 70 Grad Celsius absenken.

Wie funktioniert die Wirbelrohrkühlung im Vortex Tube?

Wirbelrohre zur Druckluftkühlung bestehen aus einem Stück Rohr mit seitlichem Anschluss. Strömt Druckluft über Letzteren in das System, versetzt die spezielle Bauweise die Luftmassen in eine rotierende Bewegung. Mit einer Drehzahl von bis zu 1.000.000 Umdrehungen pro Minute strömt die Druckluft dabei zum Ende des Wirbelrohrs. Sie erhitzt sich dabei und ein kleiner Teil der Heißluft tritt aus dem System aus. Die übrige Luft strömt immer noch rotierend durch den Wirbel zum anderen Ende des Rohrs, wo sie nach einer Ausdehnung mit niedrigen Temperaturen austritt.

Welche Voraussetzungen bestehen, damit Wirbelrohre funktionieren?

Damit Druckluftkühler mit Wirbelrohr effektiv arbeiten, sind ausreichend hohe Druckwerte erforderlich. Die beste Entwärmung erreichen Anlagenbetreiber mit etwa 6 bis 7 bar. Weiter darunter reduziert das Wirbelrohr die Lufttemperatur weniger, wodurch mehr Luft erforderlich ist, um die gleiche Kälteleistung zu erreichen.

In welchen Bereichen kommen Druckluft-Nachkühler zum Einsatz?

Zum Nachkühlen kommen Druckluftkühler nach einem Kompressor zum Einsatz. Geeignet sind sie hier für größere Druckluftsysteme, in Verbindung mit pneumatischen Schaltungen oder vor Druckluftwerkzeugen wie Strahl- und Lackierpistolen.

Wann kommen Wirbelrohre zur Druckluftkühlung zum Einsatz?

Wirbelrohre eignen sich zur Werkzeugkühlung. Sie kühlen Serverräume und sorgen dafür, dass gepresste oder gegossene Werkstücke schnell und gleichmäßig aus dem Prozess entnommen werden können.