Leichtes Gas, schwerer Job

  • KUNDE

    Vorbuchner GmbH & Co KG

    PROJEKT

    Zuverlässige Verdichtung von Helium

PROJEKTINFOS

Helium statt Luft – Verdichtung mit BOGE Kompressoren

Die Herausforderung
Helium ist ein sehr leichtes Gas. Die Dichte von Luft ist siebenmal größer als die von Helium. Daher bestand die größte Herausforderung darin, eine maximale Dichtheit des Kompressors zu gewährleisten. 

Die BOGE Lösung
Vom BOGE Anlagenbau wurde ein SLF 101-3 Kompressor stark modifiziert, um die Anforderungen für diese Anwendung erfüllen zu können. So wurde der Antriebsmotor mit einer Kupplungsklocke umgeben, in der sich im Falle eines Austritts des Gases, das Gas sammelt und abgeleitet werden kann. Der vertikal platzierte Ölabscheider  gewährleistet eine optimierte Ölentfernung. Rohrleitungen und Wärmetauscher wurden zusätzlich abgedichtet.

Das Ergebnis
Durch die gute und enge Zusammenarbeit von Vorbuchner und BOGE entstand aus einem Prototypen ein betriebssicheres und effizientes System zur Heliumverdichtung.

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    Die Vorbuchner GmbH & Co. KG aus Kirchweidach ist Spezialist im Bereich der Tieftemperaturtechnik. Das Portfolio umfasst unter anderem kryotechnische Anlagen für Heliumanwendungen – neben der Rückgewinnung steht dabei vor allem die Verflüssigung von Helium im Vordergrund. Vorbuchner ist einer von wenigen deutschen Herstellern, die Anlagen zur Verflüssigung von Helium liefern. Flüssiges Helium erzeugt tiefste Temperaturen. Das Kältemittel kommt häufig in Universitäten und Instituten zum Einsatz, beispielsweise zur Kühlung von supraleitenden Magneten. Für die Universität Gießen entwickelte Vorbuchner eine komplette Anlage, die flüssiges Helium mit einer Temperatur von 4,5 K (–268,65 °C) bereitstellt. Dazu benötigte der Kryotechnikspezialist einen Kompressor, der Helium effizient verdichtet und dabei einen möglichst hohen Leckageschutz aufweist. „Die große Herausforderung bestand darin, Bauteile dieser Maschine derart abzudichten, dass kein Helium entweichen und keine Luft eintreten kann. Denn das würde zu Verunreinigungen des Heliums führen“, berichtet Wilhelm Vorbuchner, Geschäftsführer des Unternehmens. Dieser schwierigen Aufgabe stellte sich der Druckluftspezialist BOGE. Das für seine Innovationen mehrfach ausgezeichnete Unternehmen aus Bielefeld entwickelte dazu ein völlig neues Konzept für seinen Schraubenkompressor SLF 101-3. Diese Sonderanfertigung aus dem Anlagenbau vereint BOGE Qualität mit innovativer Technologie und erfüllt damit den Anspruch des Unternehmens, Fortschritt, Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit zu besonders effizienten Lösungen zusammenzuführen.

     

    Gasförmiges Helium wird flüssig

    Die neu entwickelte Anlage zur Heliumverflüssigung umfasst neben dem BOGE Schraubenkompressor SLF 101-3 zwei Expansionsturbinen und einen integrierten Reiniger zur Aufbereitung von verunreinigtem Helium sowie einen Schmutzgastrockner, ein Ölentfernungssystem und einen Puffertank. Der Kompressor stellt die geforderte Liefermenge von 3,69 bis 10,69 m³/min zur Verfügung und verdichtet das Heliumgas von 1,05 auf 13 bar. Während des Kompressionsvorgangs wird Öl zur Schmierung und Kühlung eingespritzt. Zur Reinigung des Heliums verwendet BOGE einen vertikalen Ölabscheider. In einer sogenannten Coldbox findet anschließend die Kälteerzeugung statt. In zwei nacheinander angeordneten Turbinen erfolgt eine Expansion des Heliumgases. Durch Wärmetauscher wird das Gas im Gegenstromprinzip gekühlt und durch ein Joule-Thomson-Ventil in einen Heliumtank geleitet. Das Ventil führt zu einer weiteren Expansion des kalten Gases, das noch stärker abkühlt und schließlich flüssig wird. Dazu muss in dieser Coldbox eine Temperatur von 4,5 K (–268,65 °C) herrschen. Mit Hilfe eines Ausfrierreinigers erfolgt die Aufbereitung von verschmutztem Helium. Luftanteile kondensieren und frieren infolge von Abkühlprozessen aus. Neon und Wasserstoffspuren werden durch Kälteadsorber entfernt. Im Ergebnis liefert die Anlage von Vorbuchner 20 bis 33 l flüssiges und reines Helium pro Stunde.

     

    Höchste Anforderungen an die Dichtheit

    Helium ist ein sehr leichtes Gas. Die Dichte von Luft ist siebenmal größer als die von Helium. Daher bestand die größte Herausforderung für den Druckluftspezialisten BOGE darin, eine maximale Dichtheit des Kompressors zu gewährleisten. Der verwendete Verdichter sieht zwar aus wie ein herkömmlicher Schraubenkompressor SLF 101-3, viele seiner Bauteile wurden im Vergleich zu diesem aber komplett verändert. So erfolgte eine Optimierung des Antriebsmotors hinsichtlich Dichtheit. Eine Kupplungsglocke umgibt den Motor. Im Falle eines Heliumaustritts ist somit sichergestellt, dass sich das Gas in der Glocke sammelt und abgeleitet werden kann. Der vertikal platzierte Ölabscheider gewährleistet einen optimierten Prozess der Ölentfernung aus dem Helium. Rohrleitungen und Wärmetauscher dichtete BOGE zusätzlich ab, um einen Austritt des Gases zu verhindern. „Jede kleinste Leckagequelle musste während der Entwicklungsphase ausfindig gemacht werden“, erklärt Sebastian Krake, Projektmanager bei BOGE. „Durch diese teils aufwändigen Konstruktionen erreichen wir eine hohe Prozesssicherheit.“ Der Verlust von Helium ist damit nahezu ausgeschlossen, ebenso wie die Verunreinigung von Helium durch eintretende Luft.

     

    Flexibel einsetzbar, kompakt und platzsparend

    Der Schraubenkompressor SLF 101-3 lässt sich sehr flexibel einsetzen. Durch den integrierten Frequenzumrichter erfolgt eine ständige Anpassung des Volumenstroms an den aktuellen Bedarf. Das führt zu deutlichen Effizienzsteigerungen der Anlage. Durch die kompakte Bauweise kann der Schraubenkompressor platzsparend installiert werden. Trotz zusätzlicher Bauteile und vorgenommener Veränderungen sind die Abmessungen identisch mit denen eines herkömmlichen Schraubenkompressors dieser Leistungsklasse. Die Komponenten der gesamten Anlage wurden vor Ort beim Kunden montiert und miteinander verrohrt; der Schraubenkompressor steht in einem bauseitig vorhandenen Kompressorraum. Alle Rohre und der Wärmetauscher bestehen aus Edelstahl und gewährleisten daher einen langen Betrieb.

     

    Von einem Prototyp zur effizienten Anlage

    „Wir standen über die gesamte Entwicklungszeit in engem Kontakt zu BOGE“, sagt Wilhelm Vorbuchner. „Die gute Zusammenarbeit ermöglichte uns eine erfolgreiche Umsetzung des Anlagenkonzeptes.“ Damit entstand aus einem Prototyp ein betriebssicheres und effizientes System zur Heliumverdichtung. Dies veranlasste Vorbuchner dazu, BOGE einen weiteren Auftrag zu erteilen. So ist eine baugleiche Anlage für den Einsatz in einer Universität in Polen geplant, in der ebenfalls ein abgewandelter BOGE Schraubenkompressor SLF 101-3 zum Einsatz kommt. „Da ein großer Bedarf an Tieftemperaturtechnikanlagen im Bereich der Forschung besteht, sind derartige Systeme auch in Zukunft gefragt“, prognostiziert Wilhelm Vorbuchner. BOGE erweiterte durch die enge Zusammenarbeit mit Vorbuchner seine Kompetenz im Bereich der Heliumverdichtung. Der Druckluftspezialist plant, zusätzliche Projekte mit dem Schraubenkompressor als Heliumverdichter zu realisieren. Damit baut BOGE das vorhandene Produktportfolio der Spezialgasanwendungen mit Stickstoffverdichter sowie Stickstoff- und Sauerstoffgeneratoren kontinuierlich weiter aus.

     

    Mehr Informationen über Vorbuchner:

    http://www.vorbuchner.com/

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