Entwicklung von Werkstoffen für die Kompressoren von Morgen

Verbesserte Kompressortechnik spielt eine große Rolle bei der Entwicklung energieeffizienterer Kühlschränke, Klimaanlagen, Bremssysteme und weiterer Produkte. In Entwicklung befindliche Schlüsselkomponenten sind die Kompressorventile, bei denen Werkstoff und Design Hand in Hand gehen.

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Kompressorventile sind konstanter Spannung und einem kontinuierlichen Zyklus von Biegung und Zurückschnellen ausgesetzt, wenn sich der Kolben im Kompressor bewegt. Wenn das Ventil bricht, setzt der Kompressor aus. Über seine Lebensdauer hinweg sollte ein Kompressorventil 10 Milliarden Zyklen widerstehen. Daher ist die Wahl des Ventilwerksoffs äußerst wichtig, so Andes Hoel, Senior Research Engineer bei Sandvik Materials Technology, der das Sandvik-Programm an gehärteten und wärmebehandelten Kompressor-Ventilstählen leitet.

Weniger Energieverbrauch

„Mit effektivem und robustem Ventilstahl kann der Energieverbrauch des Kompressors erheblich reduziert werden.“ „Durch Auswahl des richtigen Ventilstahls können Sie zudem die Geräuscherzeugung und die Kompressorgröße verringern und die Effizienz und Zuverlässigkeit des Kompressors verbessern.“

Laut Hoel suchen Kompressorhersteller stetig nach Methoden, den Leistungskoeffizienten der Kompressoren zu verbessern, da dies geringere Betriebskosten bedeutet. Dünnere Ventile sind eine Methode zur Verbesserung der Kompressoreffizienz.

„Je dünner der Kompressorventilstahl, desto biegsamer ist er“, so Hoel. „Das bedeutet, dass weniger Kraft erforderlich ist, um das Gas einzusaugen und auszustoßen, wodurch der Kompressor effizienter wird. Mit einem dünneren Ventil lassen sich zudem Stromverluste am Kompressor-Einlass und -Auslass reduzieren.“

Sandvik stellt Ventilstahl mit einer Stärke von 1,2 Millimeter bis 0,06 Millimeter her. Letztes ist der dünnste Kompressorventilstahl auf dem Markt. Die Herausforderung besteht darin, dass ein dünnes Ventil sich stärker biegt und daher stärker zurückschlägt, was hohe Anforderungen an die Biege- und Schlagfestigkeit des Stahls stellt.

Eine Stahlsorte der nächsten Generation

Mit Sandvik Hiflex, einer neuen Generation hochgradig ermüdungsbeständiger, mit Molybdän legierter Chrom-Edelstähle, hat Sandvik erfolgreich einen Ventilsahl mit der begehrten Kombination hoher Schlag- sowie Ermüdungsfestigkeit entwickelt. Er kann mehr Zyklen widerstehen als andere auf dem Markt erhältliche Stähle. Zudem ist der Stahl in Temperaturen von 300 Grad Celsius einsetzbar. Dies ist eine Voraussetzung für eine lange Lebensdauer, da hocheffiziente Kompressoren mit hohen Frequenzen betrieben werden und die entsprechende Wärmeentwicklung die Werkstoffeigenschaften andernfalls beeinträchtigen könnte.

„Diese Kombination aus Schlag- und Biegefestigkeit hat eine enorme Auswirkung auf die Energieeffizienz“, so Hoel. „Sie können hierdurch auch die Kompressorgrö0e reduzieren, da derselbe Hub mit einem kleineren Ventil möglich ist.“

Werkstoff und Design müssen harmonisieren

Der Ventilwerkstoff ist nicht alles – er geht Hand in Hand mit Ventil- und Kompressordesign.

„Kunden fragen oft noch bessere Werkstoffe mit verbesserten Eigenschaften an“, so Hoel. „Noch wichtiger: Wenn Sie Ihren Kompressor optimal nutzen möchten, müssen Sie sicherstellen, dass die Werkstoffeigenschaften mit dem Design harmonieren. Die besten Ergebnisse zeigen sich, wenn wir in den Designprozess einbezogen werden, und wir suchen stets nach gemeinsamen Projekten, bei denen unser Fachwissen zu Werkstoffen von Nutzen sein kann.“

Einige Branchen könnten aus der Optimierung der Kompressorleistung einen höheren Nutzen ziehen als andere, so Hoel. Hierzu gehören beispielsweise Hersteller von Klimageräten für die Automobilindustrie, bei denen das Streben nach Energieffizienz noch am Anfang steht.

„Die Nachhaltigkeitsanstrengungen der Branche lagen bislang anders,“ so Hoel. „Meiner Ansicht nach sollte jeder Prozentpunkt, um den Sie den Energieverbrauch reduzieren können, zählen, unabhängig von der Quelle. Würden Klimagerät-Hersteller, die unseren Sandvik 20C-Kompressorventilstahl verwenden, auf Sandvik Hiflex umsteigen, würde dies den Energieverbrauch um 1 Prozent reduzieren. Ich meine, das lohnt sich.“

Höhere Frequenzen erfordern neue Werkstoffe

Sandvik bereitet sich zudem darauf, die Anforderungen an zukünftigen Kompressorventilstahl zu erfüllen, um die Entwicklung von Kompressoren der nächsten Generation zu ermöglichen.

„Aktuelle Kompressoren arbeiten im Allgemeinen mit einer Frequenz von 50-60 Hz (50-60 Zyklen pro Sekunde), wir sehen jedoch einen Trend hin zu Kompressoren mit 200 Hz“, so Hoel. „Das bedeutet, dass wir uns in Kürze extrem hohen Zykluszahlen entgegen sehen werden.

„Wir möchten die Ansprüche heben und einen Werkstoff liefern, der diese höheren Anforderungen erfüllt und ihnen über mehr Zyklen hinweg widersteht. Wenn wir die Eigenschaften des Ventilstahls hinsichtlich Schlag- und Biegefestigkeit um 5 bis 10 Prozent verbessern könnten, könnten unsere Kunden die Last ihrer Kompressoren und somit die Effizienz steigern.“

Um dies zu erreichen, erkunden Hoel und sein F&E-Team die Möglichkeiten bestehender Werkstoffe und die zukünftigen Anforderungen. „Wir möchten alles über die Prozesse und Produkte efahren, um dieses Wissen für neue Anwendungen, neue Designs und neue Stahlsorten zu nutzen,“ so Hoel. „Ich bin überzeugt, dass wir mit unseren Ventilstählen die Zukunft mitgestalten können.“

Anders Hoel

Titel: Senior Research Engineer bei Sandvik Materials Technology
Jahre bei Sandvik: Sechs
Wohnort: Gävle, Schweden
Denkt nach über: „Ich interessiere mich im Allgemeinen für Probleme hinsichtlich Energie und Energiesparen. Mit unseren Ventilstählen können wir die Zukunft mitgestalten.“

Sandvik-Kompressorstahl

Sandvik bietet drei Typen Stahl für Kompressorventile an:

  • Sandvik 20C, ein Carbonstahl
  • Sandvik 7C27Mo2, ein martenistischer Chrom-Edelstahl, der mit Molybdän legiert ist
  • Sandvik Hiflex, ein hochgradig dauerfester Chrom-Edelstahl, der die beste Leistung aller Ventilstähle auf dem Markt aufweist

Ventilstahl weist Stärken von 0,06 bis 1,2 Millimeter auf. Je stärker der Werkstoff, desto niedriger die Anforderungen hinsichtlich der Schlagdauerfestigkeit; ein stärkerer Ventilstahl führt jedoch auch zu starken Einschränkungen des Flusses. Daher fordern Hersteller immer dünnere Werkstoffe mit besseren Eigenschaften sowohl hinsichtlich Schlagfestigkeit als auch Biegefestigkeit.