Analysis of the economic and ecological properties of pneumatic actuator systems with pneumatic transformers

• Analyse der wirtschaftlichen und ökologischen Eigenschaften pneumatischer Antriebssysteme mit pneumatischen Druckwandlern

Merkelbach, Stephan; Murrenhoff, Hubertus (Thesis advisor); Schmitz, Katharina (Thesis advisor)

Düren : Shaker Verlag (2020, 2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Reihe Fluidtechnik. D 96
Seite(n)/Artikel-Nr.: xii, 131 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Pneumatische Antriebe werden in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt. In jüngerer Vergangenheit treten neben den Anschaffungskosten immer öfter auch die gesamten Lebenszykluskosten bei der Investitionsentscheidung in den Vordergrund. Die Arbeit beschreibt eine ökonomische und ökologische Lebenszyklusanalyse pneumatischer Antriebe. Die Lebenszykluskosten pneumatischer Antriebe werden für typische Lastzyklen ermittelt und mit denen elektromechanischer Antriebe verglichen. Auf Basis des Exergiekonzepts wird die Effizienz der beiden Antriebsarten ermittelt. Aus den Energiekosten wird mit der notwendigen Investition sowie weiteren anfallenden Kosten der gesamte Lebenszyklus bilanziert. Weiterhin erfolgt eine Untersuchung des Effizienzpotentials pneumatischer Antriebe mit verschiedenen, einfach umzusetzenden Energiesparschaltungen, die die Betriebskosten mit verhältnismäßig geringem Implementierungsaufwand erheblich senken können. Um thermodynamisch bedingte Verluste zu reduzieren, kommt einer Reduktion des Betriebsdrucks steigende Aufmerksamkeit zu. Um die gleiche Antriebskraft und Laststeifigkeit zu erreichen, macht dies jedoch den Einsatz größerer Antriebe notwendig. Manche Anwendungen erfordern jedoch weiterhin kompakte Antriebe bei gleichzeitig hoher Kraft. Um die Installation eines zusätzlichen Hochdruckluftnetzes zu vermeiden, besteht die Möglichkeit des Einsatzes druckluftgetriebener Doppelkolbendruckübersetzer, die prinzipbedingt hohe Verluste und ein sehr lautes Betriebsgeräusch aufweisen. Die Arbeit stellt die Entwicklung und Funktionsprüfung eines neuartigen, auf Radialkolbeneinheiten basierenden Druckübersetzerkonzepts vor. Nach einer Simulationsstudie wird ein Funktionsmuster entwickelt und untersucht. Zur Steigerung der Effizienz werden verschiedene Optimierungen durchgeführt und validiert. Weiterhin erfolgt eine Abschätzung des Einflusses eines Niederdrucksystems mit Einsatz pneumatischer Druckverstärker auf die Effizienz sowie die Lebenszykluskosten der am Niederdrucknetz bzw. mit Luft auf verstärktem Hochdruck betriebenen Antriebe. Vor dem Hintergrund des Klimawandels wird der durch die Antriebe verursachte Ausstoß an Klimagasen zu einer wichtigeren Größe bei der Entscheidung zwischen unterschiedlichen Antriebssystemen. Zum Abschluss der Arbeit erfolgt daher eine Betrachtung der ökologischen Auswirkungen pneumatischer Linearantriebe mit Fokus auf den CO2-Ausstoß. Hierzu wird anhand eines beispielhaften pneumatischen Zylinders eine Analyse der Emissionen über den Lebenszyklus von der Rohstoffherstellung bis zum Recycling durchgeführt.