Pneumatik Grundlagen Aufgaben

Grundlagen der Pneumatik Aufgaben

In diesem Teil werden die Lösungen für die Aufgaben des Kursteils vorgestellt. ihre Aufgaben können im Raum aufgestellt werden. Die Pneumatik ist die Untersuchung von Luftbewegungen und Luftprozessen. Welche Aufgaben hat ein Druckluftspeicher? In diesem Text und Übungsbuch wird eine anwendungs- und praxisorientierte Darstellung von hydraulischen und pneumatischen Systemen gegeben.

Grundlegende Grundlagen der Pneumatik

Pneumatik (griechisch "pneuma" = Luft oder Wind) bezeichnet den technischen Gebrauch von Pressluft oder druckluftgetriebenen Vorrichtungen. Schon zu Beginn des zwanzigsten Jahrhundert wurde die Pneumatik in der Bauindustrie eingesetzt. Ein pneumatisches Gesamtsystem umfasst im Wesentlichen drei verschiedene Subsysteme: Die pneumatischen Ventile werden im Gesamtsystem zur unmittelbaren Steuerung der jeweiligen pneumatischen Zylinder eingesetzt.

Die Steuerung dieser Regelventile erfolgt über den Multipolverteiler und den einfachen Anschluss über die Fluid Sim Steuerungssoftware. Der Begriff "Wegeventil" wird von der komprimierten Luft abgeleitet, die den erforderlichen Weg im Stellglied einnimmt. Eine Wegeschieber hat im Wesentlichen drei Grundfunktionen: Entlüftung, der zugehörige Teil (Hub) des Ventiles wird entlüftet.

Hydraulik- und Pneumatiksysteme - Grundlagen und Aufgaben - Anwendung und Simulierung von Holger Watter GmbH & Co. KG in Berlin am Main - Holger Watter GmbH

Dieser Text und das vorliegende Heft bieten eine anwendungs- und anwendungsorientierte Präsentation von Hydraulik- und Pneumatiksystemen. Wesentliche Designelemente und deren Steuerung sowie die Präsentation von Simulationsrechnungen erlauben einen raschen Einblick in das bearbeitete Thema. Prof. Dr.-Ing. Holger Fatter unterrichtet an der FH Flensburg, der HAW Hamburg und der Hochschule für erneuerbare Energie in Lüchow, unter anderem in den Bachelor- und Master-Studiengängen Strömungstechnik, Regenerierende Energietechnik, Regenerative Energietechnik, Erneuerbare Energie und Tragwerk.

mw-headline" id="Allgemeines">Allgemeines[Bearbeiten | < Quelltext bearbeiten]

Der Begriff Pneumatik (aus dem Altgriechischen ?????? Pneumatik, dt.'Hauch, Wind') bezieht sich auf den Gebrauch von komprimierter Luft in Naturwissenschaft und Technik zur Durchführung von mechanischen Arbeiten. Die Pneumatik ist die Vermittlung aller technischer Applikationen, in denen mit Hilfe von komprimierter Luft gearbeitet wird. Druckluftversorgung wird als Kompressionsluft bezeichet (veraltet: Druckluft). Sie kann für viele verschiedene Verwendungszwecke genutzt werden, z.B. als aktive Luft zur Materialförderung (z.B. Transportluft oder Lackierung), als prozessintegrierte Arbeitsluft (z.B. Trocknung) oder als Testluft.

Pneumatik ist daher nur ein kleiner Teil aller Pressluftanwendungen. Die Druckstufe in HD-Netzen für Pneumatikanwendungen mit großem Leistungsbedarf kann bis zu 18 bar sein, jedoch müssen für die Widerstandsfähigkeit gegen diesen Hochdruck besondere Bauteile (Schläuche und Anschlüsse) verwendet werden. Die Erzeugung von Druckluft, die Aufbereitung von Druckluft, die Verteilung von Druckluft und die konkrete Ausgestaltung.

Durch Einsaugen und Verdichten der Raumluft in einem Verdichter wird komprimierte Atemluft gewonnen und nach der Behandlung (Filtern, Trocknen) über ein Atemluftnetz (Rohre und Schläuche) der Applikation zugeleitet und dabei anwendungstechnisch eingesetzt. Im Bereich der Pneumatik (Steuerung und Stellglieder) wird für die Ausführung von Arbeiten Pressluft eingesetzt. So wird z.B. in einem Pneumatikzylinder die Atemluft dazu benutzt, auf einen Arbeitskolben zu drücken und ihn so in eine gewisse Bewegungsrichtung zu bringen.

Die Pneumatik wird als eine unkomplizierte und wirtschaftliche Technik angesehen. In den vergangenen Jahren hat dies zu Gesprächen und einer zunehmenden Suche nach alternativen Technologien, z.B. elektrischen Antrieben, geführt, da das Wissen über das Themenfeld Energie-Effizienz gestiegen ist. Der Druckluftstrom, der zum Betreiben von pneumatischen Systemen benötigt wird, wird in einem Druckluftkompressor bereitgestellt.

Im Falle von Werken mit hohem Pressluftbedarf werden oft mehrere Verdichter in Kombination eingesetzt. Große ungesteuerte Verdichter werden zur Deckung des Basisbedarfs eingesetzt, die Lastspitze wird oft durch einen geschwindigkeitsgeregelten Verdichter gedeckt. Durch mechanische und thermodynamische Prozesse wird bei der Komprimierung der komprimierten Luft eine große Menge an Wärme erzeugt, die aus der komprimierten Luft abgeleitet werden muss.

Bei vielen alten Werken verbleibt diese Abluftwärme brach. Allerdings kann der Gesamtwirkungsgrad der Pneumatik deutlich erhöht werden, wenn die erzeugte Energie sinnvoll genutzt wird, z.B. als Heizenergie, als Prozesswärme (zur Warmwasserbereitung) oder je nach Anforderung zur Kälteerzeugung für die Raumentkleiung (Adsorptionskältemaschinen). Dabei ist die Sicherstellung der Qualität der Pressluft von Bedeutung, da eine Verunreinigung der Pressluft in der Applikation die Funktionalität der Pneumatikkomponenten beeinträchtigen oder gar zu bleibenden Schäden an diesen Bauteilen mit sich bringen kann.

Bei der Druckluftaufbereitung kann die Verarbeitung entweder zentrisch oder subzentral durchgeführt werden. Vor der Einspeisung der komprimierten Luft in das Verteilnetz findet eine Zentralaufbereitung in der Umgebung der Verdichterstation statt. Dagegen findet die Dezentralisierung unmittelbar vor der Applikation statt, um die von den Bauteilen geforderte Qualität der Pressluft zu garantieren. Kühltrockner, Adsorptionstrockner oder Membran-Trockner saugen den Prozesswasserdampf aus der Pressluft ab und verringern so den Schmelzpunkt.

Dadurch wird gewährleistet, dass sich bei fallenden Außentemperaturen kein Feuchtigkeitsdampf in den Bauteilen absetzt und die Oberfläche durch Rost geschädigt wird. In der Regel wird vor der Pneumatikanwendung eine Instandhaltungseinheit aufgestellt, in der über mehrere Stufen die örtlich erforderliche Pressluftqualität generiert werden kann. In der Pneumatik bilden Siebe, Trockenschränke und Druckerhöhungsanlagen einen Durchfluss im System.

Deshalb ist das Prinzip "nur so viel wie notwendig filtern" anwendbar. Bei der Druckluftqualität sollte so wenig wie möglich darunter gelitten werden, d.h. die Verunreinigung durch Korrosion, Zunder, Schweißgut, Schweißwasser oder andere Substanzen sollte auf ein Mindestmaß beschränkt werden. Rohrrichtungsänderungen müssen separat berücksichtigt werden, besonders wenn schmale und ungerundete Krümmer eingesetzt werden sollen.

Der Druckluftanschluss geschieht über Rohrnetze mit unterschiedlicher Topologie. Weil Leckagepunkte in Pneumatiksystemen nur den Druckluftstrom in die Umwelt ermöglichen, gibt es in der Regel kein Sicherheits- oder Umweltgefahr durch die Undichtigkeit. Hauptsächlich in Industrie- und Automatisierungsanwendungen werden aus Fertigungsgründen nur 2 oder 3 Schaltpositionen genutzt, bei " herkömmlichen " Richtungsventilen zum Umschalten von Vorgängen 2 Schaltventile und bei 3 Schaltventilen als Absperrventile.

Mit diesen 3/2-Wegeventilen werden z.B. einfachwirkende Druckluftzylinder gesteuert, aber auch "neue Wege" des Pneumatiksystems "ermöglicht". Diese beiden Arbeitsöffnungen werden beispielsweise für die Ansteuerung eines doppelt wirkenden Zylinders benötigt, bei dem man den Behälter auf der einen Fahrzeugseite mit Pressluft druckbeaufschlagt (dass er ausfährt) und auf der anderen Fahrzeugseite belüftet (dass er sich zurückziehen kann).

Die Pneumatik verwendet unterschiedliche Antriebe. Diese können in maschinelle, elektronische, druckluftbetriebene und handbetriebene Vorgänge unterteilt werden. Die mechanischen Antriebe werden von der Anlage selbst ausgelöst. Bewegt sich beispielsweise der Zylinderkolben gegen den Ventilstößel eines Ventiles, wird das Stellglied (mechanisch) betätigd. Pneumatischer Antrieb: Die Ansteuerung des Ventiles erfolgt durch die Pressluft.

Durch manuelles Betätigen eines Ventiles wird beispielsweise der Arbeitsanschluss des Ventiles freigegeben und der Luftdruck erreicht ein anderes Ventiltyp, das durch Pressluft angesteuert wird. Die oben beschriebenen Ventilschlitten werden durch Pressluft in die jeweilige Stellung gepresst. Absperrventile können auch als fremdbetätigte Ventile eingestuft werden. Sie werden mit Kraft betrieben.

Reicht beispielsweise die pneumatische Betätigungskraft nicht aus, um ein Stellglied zum Umschalten zu veranlassen (wie es z.B. bei einem Pneumatiksensor der Fall ist), muss diese kleine Betätigungskraft eine große Betätigungskraft antreiben, die das Stellglied steuert. Mit Hilfe von Pressluft können Luftmotoren in Geräten wie Presslufthämmern zum Vernieten und Luftschrauben angetrieben werden.

Eingesetzt werden diese pneumatischen Walzen z.B. zum Spannen und Vorschieben von Teilen in Fertigungszentren oder zum Verschließen von Packungen. Die Pressluft kann auch unmittelbar für den Stofftransport mittels Pneumatikschlauch eingesetzt werden. Pneumatische Muskeln, Walze mit Zahnrad für Drehbewegungen. Bei der Pneumatik wird zwischen ein- oder zweiseitig mit Pressluft druckbeaufschlagbaren Flaschen unterschieden (einfachwirkende, doppelwirkende Zylinder).

Die Betriebsmenge hingegen gibt das tatsächliche physische Luftvolumen der komprimierten Luft im Ist-Zustand an.

Wenn z. B. ein pneumatischer Zylinder mit einem Querschnitt von 32 Millimetern und einer Baulänge von 0,25 Metern bei 6 Druckstößen rel. mit Pressluft gefüllt wird, beinhaltet er ca. 0,2 Liter Arbeitsluft. Bei bekanntem Druckluftverbrauch einer Fabrik kann der Stromverbrauch der Pneumatikkomponenten anhand von Kennwerten der Verdichteranlage geschätzt werden.

Abhängig von der Baugröße und dem Wirkungsgrad der eingesetzten Verdichter wird in der Regel eine Wärmemenge von 0,1 Kilowattstunden zur Herstellung eines Normkubikmeters Pressluft (bei ca. 8 bar rel.) verbraucht. Die Pneumatik hat in der Regel den Status einer verhältnismäßig teuren Form der Energieeffizienz, deren Wirkungsgrad im Gegensatz zu anderen Antriebstechniken einer kritischen Bewertung unterzogen werden muss.

Die Effizienz von pneumatischen Systemen ist oft verhältnismäßig gering, weshalb der Austausch von pneumatischen Antrieben durch Elektroantriebe in Betracht gezogen wird. Hintergrund dieser Bewertung sind jedoch nicht (wie oft angenommen) die thermo-dynamischen Prozesse während der Verdichtung im Kompressor und die daraus resultierende Abgaswärme. Oft ist eine unsachgemäße Planung und Instandhaltung von pneumatischen Systemen für einen geringen Gesamteffizienz.

Auch bei Konstruktionsfehlern, Überdimensionierungen, schweren Leckagen und Fehlern in den Bauteilen ist die Funktionsfähigkeit der Pneumatikkomponenten in der Regel noch gegeben, der Druckluftverbrauch kann in solchen FÃ?llen jedoch deutlich steigen. Die Luftverbräuche von Pneumatikkomponenten lassen sich in den meisten FÃ?llen Ã?ber die Spirituel und GröÃ?e der zu befÃ?llenden Volumen vergleichsweise problemlos berechnen.

Wird z. B. mit einem pneumatischen Zylinder mit einem Querschnitt von 32 Millimetern eine Belastung von 1 kg um 0,25 Meter angehoben, so ergibt sich pro Doppellauf ein Druckluftverbrauch von ca. 2,8 Nl (das Innenraumvolumen des Druckluftzylinders ist 0,2 Liter, er wird mit 7 bar abs. ß gefüllt, d. h. 1,4 Nl werden für einen Kolbenhub benötigt).

Allerdings hätte der pneumatische Schließzylinder aufgrund seiner Oberfläche eine Belastung von ca. 45 kg heben können, so dass er sehr groß ist und z.B. durch einen Frequenzumrichter mit einem Außendurchmesser von 12 mm ausgetauscht werden kann. Ein wirksames Mittel zur Senkung des Druckluftverbrauchs kann daher der Austausch überdimensionaler Druckluftzylinder durch einen geeigneten Antriebsdurchmesser sein.

In der Praxis wird oft gezeigt, dass das Versorgungsdruckniveau in bestimmten Bereichen einstellbar ist. Wurde ein System in der Projektierungsphase zu groß dimensioniert, kann der Zuluftdruck z.B. von 6 bis 5 Bar gesenkt werden. Aus Leckstellen entweichende Pressluft ist in der Regel kein sicherheitsrelevantes Risiko und verursacht keine Umweltverschmutzung.

Ein Gesamtverlust in einer Fabrik, der einem Stutzendurchmesser von 3 Millimetern entspringt, kann jedoch bereits in einer Fabrik über 5000 pro Jahr ausmachen. Die Ursache dafür ist in der Regel die während der Verdichtung im Kompressor erzeugte Wärme, die oft nicht genutzt als Abwärme abführt. Doch um ein genaues Abbild der energiewirtschaftlichen Verhältnisse in den Einzelprozessen in Pneumatiksystemen darstellen zu können, müssen die wärmetechnischen Prozesse individuell betrachtet und ausgewertet werden.

Bei der Verdichtung der in den Kompressor gesaugten Raumluft handelt es sich im idealen Fall um eine isotherme, d.h. ohne Temperaturänderung. Energietechnisch gesehen heißt das, dass sich der Energieinhalt der Raumluft während der Verdichtung nicht geändert hat, der Energiewirkungsgrad von Verdichtern ist Null, da die Raumluft die gleiche Energiemenge wie die Raumluft hat. Die Erkenntnisse zeigen, dass eine Nutzenanalyse der Pressluft auf der Grundlage des wärmetechnischen Energiekonzeptes nicht sinnvoll ist, da die Pressluft zwar den gleichen Energieinhalt wie die Raumluft hat, aber dennoch fachlich nutzbar und arbeitsfähig ist.

Die exergische Berücksichtigung des idealen Verdichtungsprozesses ergibt, dass im endgültigen Verdichtungszustand genau die gleiche Arbeitskapazität in der komprimierten Luft zwischengespeichert wird, die bei der Verdichterarbeit angewendet wurde. Daher gibt es keinen systembezogenen Anlass, der die schlechte Effizienz von pneumatischen Systemen allein auf der Grundlage von thermodynamischen Prozessen erklärt. Nach dem Austritt aus dem Verdichter ist die komprimierte Luft warm und wird erst danach auf Zimmertemperatur heruntergekühlt.

Praxisstudien belegen jedoch, dass in Pneumatiksystemen ein großer Teil der verfügbaren Energie tatsächlich während der Kompression ausfällt. Verliert eine bestimmte Menge an komprimierter Luft auf dem Weg zur Applikation in Leckagen, hat dies auch einen negativen Einfluss auf die Exergiebilanz. Durch die Auswahl eines passenden Betriebsdrucks und den Einsatz von Durchflussbegrenzern können die Kraft und Geschwindigkeit der Hydraulikzylinder kontinuierlich eingestellt werden.

Pneumatikantriebe ermöglichen ein kraftloses Festhalten bei gleichbleibender Druckkraft. Pneumatiksysteme sind überlastfest und temperaturunempfindlich. In der Pneumatik ist keine Nachkühlung erforderlich. Das Viskositätsniveau der Pressluft ist im Verhältnis zur Arbeitshydraulik vergleichsweise niedrig. Pneumatikantriebe sind verhältnismäßig unkompliziert konstruiert und damit kostengünstiger als Elektroantriebe mit ähnlichen Kennwerten.

Gegenüber Hydraulikantrieben sind die Pneumatikkräfte und -drehmomente deutlich niedriger, da der Arbeitsdruck in der Regel kleiner als 10 bar ist (Beispiel: Bei einem Kolbendurchmesser von 200 Millimetern und einem Standardbetriebsdruck von 6 bar können eine Schubkraft von 18,8 Kilonewton erreicht werden). Pneumatikkomponenten können bei undiabatischer Ausdehnung erkalten und auch einfrieren. Dazu gehören z.B. Luftmotoren.

Durch thermodynamische Verfahren wird eine große Wärmemenge erzeugt. Die Gesamteffizienz von pneumatischen Systemen ist daher oft niedrig, besonders bei älteren und schlecht gepflegten Systemen. Konventionelle Pneumatikzylinderbewegungen sind immer Punkt-zu-Punkt. Die abgehende Pressluft erzeugt Geräusche. Abhängig von der Applikation kann eine aufwändige Luftbehandlung erforderlich sein, z.B. um die Druckluftfreiheit zu sichern, die in der Luft enthaltenen Partikelgrößen auf ein Mindestmaß zu beschränken oder den Drucktaupunkt zu senken (sonst besteht die Möglichkeit der Wasseransammlung und Eisbildung in Ventilen).

Bei der Ausdehnung der komprimierten Atemluft auf atmosphärischen Druck erhöht sich das Luftvolumen um ein Mehrfaches. Lecks in Pneumatiksystemen führen zu einem Druckluftverlust. Im Gegensatz zu z.B. einem Defekt in Elektroanlagen (z.B. Kurzschluss) ist dies in der Pneumatik kein Auffangrisiko. Die Abluft beschädigt nicht, es entsteht kein Rauchentwicklung, die Drucklufttemperatur ist gleich geblieben.

Gerade in Altanlagen kommt es daher häufig zu großen Leckverlusten, die zu einem niedrigen Gesamtwirkungsgrad des Systems mit sich bringen können. Das richtige Planen und Konstruieren eines Pneumatiksystems kann zwar recht kompliziert sein, ist aber trotzdem für einen wirtschaftlichen und energieeffizienten Funktionier. Falsch konzipierte Werke haben oft einen niedrigen Effizienz.

Ein umfangreiches Verzeichnis der Schaltungssymbole für Akkumulatoren, Batterien, Pumpen und Verdichter, Gaszylinder und Regelventile in der Pneumatik finden Sie in der folgenden Übersicht der Schaltungssymbole (Fluidtechnik). Der Stromlaufplan (auch Stromlaufplan genannt) ist der Stromlaufplan eines Pneumatiksystems. Sie sind Teil der für jede Installation notwendigen Unterlagen, die für den Bau und die Instandhaltung von Installationen besonders bedeutsam sind.

Seit Beginn des zwanzigsten Weltkrieges wird in Deutschland die Pressluft als Energiequelle für den Hammer- und Bohrantrieb genutzt. Mit diesen klein dimensionierten Systemen ist eine waagerechte und senkrechte Beförderung in einer Linie möglich. Sie wird sowohl in Brems- als auch in Fahrwerkssystemen für Kraftfahrzeuge, Arbeitsgeräte und Anhänger eingesetzt. Der Unterwagen wird mit Pressluft an die Last und das Terrain angepaßt.

Bis in die zweite Hälfte des zwanzigsten Jahrhundert spielten die pneumatischen Fördersysteme eine wichtige Funktion im Postsektor. Die Pneumatik war im Organbau des ausgehenden und beginnenden zwanzigsten Jahrhundert dominierend. Auch selbst spielende Instrumente wie Jahrmarktorgeln, Klavierorchestrierungen und selbst spielende Klaviere wie die Pianola wurden durch Pneumatik kontrolliert, letztere jedoch überwiegend mit negativem Druck, dem sogenannten Saugen.

In der Steuerungs- und Regelungstechnik hat die Pneumatik seit etwa 1960 eine wichtige Bedeutung. Lego Technic und Franziska setzen auch die Pneumatik ein, da das Arbeit mit schwachem Pressluft auch für die Kleinen sicher ist. P. Croser, F. Ebel: Pneumatik, Grundniveau. Feststo Didactic, Esslingen 2003, ISBN 3-540-00022-4. G. Prede, D. Scholz: Elektro-Pneumatik, Grundniveau.

Feststo Didactic, E. 2001, ISBN 3-540-41446-0 G. Vogel, E. Mühlberger: Begeisterung Pneumatik. Europäische Unterrichtsmittel, ISBN 3-8085-1154-0. Horst-W. Grollius: Grundlagen der Pneumatik. Herausgegeben im Carl Hanser Verlagshaus Leipzig, 2006, ISBN 3-446-22977-9 Werner Deppert, Kurt Stoll: Pneumatische Steuerungen: Einleitung und Grundlagen der pneumatischen Steuerung. Vogels Nachschlagewerk, Kamprath-Serie, Würzburg, Elftauflage, 1999, ISBN 3-8023-1805-6, Werner Deppert, Kurt Stoll: Pneumatik-Anwendungen:

Mit Pneumatik die Betriebskosten reduzieren.

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