mini|Pneumatik in der Cyclopaedia von 1728 Das Wort Pneumatik (von ) bezeichnet den Einsatz von Druckluft in Wissenschaft und Technik zur Verrichtung mechanischer Arbeit.
Allgemeines Pneumatik ist die Lehre aller technischen Anwendungen, bei denen Druckluft dazu verwendet wird, Arbeit zu verrichten. Im Gegensatz dazu beschreibt die Hydraulik die Verwendung einer Flüssigkeit als Arbeitsmedium.
Komprimierte Umgebungsluft wird als Druckluft (veraltet: Pressluft) bezeichnet. Druckluft kann für vielerlei unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise als Aktivluft zur Weiterführung von Stoffen (z. B. Förderluft oder Lackierung), als Prozessluft, die in ein Verfahren eingebunden ist (z. B. Trocknung) oder als Prüfluft. Die Pneumatik bildet also nur einen kleineren Anteil der gesamten Druckluftanwendungen.
Herkömmliche Druckluftanlagen arbeiten häufig mit 6 bar Überdruck, in ihnen herrscht also etwa das Siebenfache des Atmosphärendrucks. Der Druck kann mit einem Manometer bestimmt werden. Das Druckniveau in Hochdrucknetzen für pneumatische Anwendungen mit hohem Kraftbedarf kann bis zu 18 bar betragen, allerdings müssen dann bereits spezielle Komponenten (Schläuche und Verbindungsstücke) eingesetzt werden, die diesem hohen Druck standhalten. In Sonderfällen (z. B. bei der Herstellung von PET-Flaschen) kann das Druckniveau im Druckluftnetz bis zu 40 bar betragen.
Jede Druckluftanlage besteht aus 4 Teilsystemen: Drucklufterzeugung, Druckluftaufbereitung, Druckluftverteilung und die eigentliche Anwendung. Druckluft wird durch Ansaugen und Komprimieren der Umgebungsluft in einem Kompressor erzeugt und wird nach der Aufbereitung (Filterung, Trocknung) über ein Druckluftnetz (Rohr- und Schlauchleitungen) der Anwendung zugeführt und in dieser technisch genutzt.
In pneumatischen Anwendungen (Steuerung und Aktorik) wird die Druckluft zur Verrichtung von Arbeit verwendet. Zur Vermeidung von Fehlfunktionen durch Verschmutzung oder Einfrieren bei Frost muss die Instrumentendruckluft aufbereitet werden. Die Luft muss getrocknet (Taupunkt <= 40 °C) und gefiltert werden. Die Druckluft wird über Rohrleitungen zu den Gebrauchsstellen geleitet. Die Pneumatikventile werden möglichst nah an dem Verbraucher (Ventilantrieb, Pneumatikzylinder) angeordnet, um Steuerzeiten und Druckluftverbrauch gering zu halten. In einem Pneumatikzylinder wird die Luft dazu verwendet, Kraft auf einen Zylinderkolben wirken zu lassen und ihn so in eine bestimmte Richtung zu bewegen. Die maximale Stellkraft resultiert aus dem Überdruck im Druckluftnetz und dem Querschnitt des Pneumatikzylinders. Das Stellverhalten kann durch Drosseleinsätze beeinflusst werden.
Pneumatik gilt als einfache und in der Anschaffung kostengünstige Technologie. Sie steht in Konkurrenz zu elektrischen und hydraulischen Antrieben. Soweit mit Druckluftantrieb keine ausreichenden Stellkräfte erzeugt werden können, werden hydraulische Antriebe verwendet.
Drucklufterzeugung mini|Elektrisch betriebener Druckluftkompressor Die zum Betrieb pneumatischer Systeme notwendige Druckluft wird in einem Verdichter (Kompressor) erzeugt. Meist erzeugt ein elektrisch angetriebener Motor eine mechanische Bewegung, die auf Hubkolben oder Verdichterschrauben übertragen wird. Über Ansaug- und Auslassventil wird atmosphärische Luft zunächst komprimiert und anschließend in das Druckluftnetz oder einen vorgeschalteten Luftspeicher ausgeschoben.
In Anlagen mit einem hohen Druckluftbedarf werden oft mehrere Kompressoren im Verbund betrieben. Zur Bereitstellung des Grundbedarfs werden ungeregelte große Kompressoren verwendet, die Spitzenlast wird häufig von einem drehzahlgeregelten Kompressor abgedeckt. Eine geeignete Steuerung koordiniert den Betrieb der kompletten Kompressorenanlage und gewährleistet einen möglichst effizienten Betrieb.
Je nach benötigtem Druck und der gewünschten Fördermenge können unterschiedliche Kompressorenbauarten eingesetzt werden. Beispielsweise eignen sich mehrstufige Hubkolbenverdichter insbesondere für die Erzeugung hoher Ausgangsdrücke bei eher geringen Fördermengen. Schraubenverdichter erzeugen hingegen eher einen geringeren Ausgangsdruck bei größerer Fördermenge.
Aufgrund von mechanischen und thermodynamischen Vorgängen entsteht während der Verdichtung der Druckluft eine große Wärmemenge, die aus der Druckluft abgeführt werden muss. In vielen älteren Anlagen bleibt diese Abwärme ungenutzt. Der Gesamtwirkungsgrad der pneumatischen Anlage lässt sich jedoch wesentlich steigern, wenn die anfallende Wärme einer sinnvollen Verwendung zugeführt wird, beispielsweise als Heizwärme, Prozesswärme (zur Warmwassergewinnung) oder je nach Bedarf zur Erzeugung von Kälte für die Raumklimatisierung (Adsorptionskältemaschinen).
Druckluftaufbereitung Die Gewährleistung der Druckluftqualität ist wichtig, da Verunreinigungen der Druckluft in der Anwendung die Funktion der pneumatischen Komponenten beeinflussen oder sogar zu dauerhaften Beschädigungen führen können. Die Aufbereitung der Druckluft kann zentral oder dezentral erfolgen. Die zentrale Aufbereitung geschieht in der Nähe der Kompressorstation, bevor die Druckluft in das Verteilungsnetz geleitet wird. Im Gegensatz dazu erfolgt die dezentrale Aufbereitung direkt vor der Anwendung, um die jeweils von den Komponenten benötigte Druckluftqualität zu gewährleisten.
Zur Beseitigung von Feststoff-Verunreinigungen werden geeignete Filteranlagen eingesetzt. Kältetrockner, Adsorptionstrockner oder Membrantrockner, entziehen der Druckluft den Wasserdampf und senken so den Taupunkt. Damit kann sichergestellt werden, dass sich bei sinkenden Temperaturen in den Komponenten kein Wasserdampf abschlägt und die Oberflächen durch Korrosion beschädigt werden.
Vor der pneumatischen Anwendung wird meist eine Wartungseinheit platziert, in der über verschiedene Filterstufen die lokal gewünschte Druckluftqualität erzeugt werden kann. Über Feinfilter und Feinstfilter können Partikel bis zu einer Größe von 0,01 µm weitgehend beseitigt werden.
Filter, Trockner und Druckregler stellen in der pneumatischen Anlage einen Strömungswiderstand dar. Sie erzeugen folglich beim Durchströmen einen Druckabfall, der insbesondere dann sehr hoch sein kann, wenn Filter nicht regelmäßig gereinigt werden. Ein Druckverlust wirkt sich stets negativ auf die Energiebilanz des Druckluftsystems aus und sollte daher nach Möglichkeit vermieden werden. Deswegen gilt der Grundsatz „Filtern nur so viel wie nötig“.
Druckluftverteilung Die Druckluftverteilung vom Kompressor zu den Verbrauchern erfolgt über Rohre und ist vergleichbar mit einer Energieleitung wie z. B. ein Stromkabel. Die Qualität der Druckluft sollte dabei möglichst wenig leiden, d. h. Verunreinigungen durch Rost, Schweißzunder, Wasser oder andere Stoffe sollten auf ein Minimum begrenzt werden.
Zusätzlich ist darauf zu achten, dass die Rohrleitungen einen ausreichenden Durchmesser aufweisen, so dass der Strömungswiderstand möglichst gering gehalten werden kann. Wird der Durchmesser einer Rohrleitung halbiert, so steigt ihr Strömungswiderstand ca. um den Faktor 32. Das heißt, der Widerstand einer Rohrleitung steigt bei reduziertem Durchmesser mit der 5. Potenz.
Änderungen der Rohrrichtung müssen gesondert betrachtet werden, insbesondere wenn enge und nicht verrundete Winkelstücke verwendet werden sollen. Der Strömungswiderstand in derartigen Rohrelementen kann weitaus größer sein als bei vergleichbaren geradlinigen Rohrstücken.
Die Verteilung der Druckluft erfolgt über Rohrnetzwerke mit unterschiedlichen Topologien. Je nach Anordnung der Gebäude und unterschiedlichen Bedarfsprofilen empfiehlt sich die Verwendung einer Ringstruktur oder eine vermaschte Topologie. Darüber hinaus sollte die Verteilung sicher (Druckgeräterichtlinie, Betriebssicherheitsverordnung, Technische Regeln Rohrleitungsbau) und wirtschaftlich (dokumentierte Dimensionierung / Dokumentation der Gefährdungsanalyse) erfolgen.
Besondere Aufmerksamkeit bei Aufbau und Wartung von Leitungsnetzen kommt der Lokalisierung und Beseitigung von Leckagen zu. Da Leckagestellen in pneumatischen Systemen lediglich Druckluft in die Umgebung abfließen lassen, besteht durch die Leckage meist kein Sicherheits- oder Umweltrisiko. Dennoch sollten Leckagen stets gewissenhaft beseitigt werden, da sie mitunter einen großen Anteil des gesamten Energieverbrauchs verursachen.
Bei der Planung und Dimensionierung von Druckluftnetzen können gezielt platzierte Druckluftspeicher sich positiv auf die Robustheit eines Druckluftnetzes auswirken. Das kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn sporadisch auftretende Verbraucher mit hohen Luftmengen Einfluss auf die Druckstabilität im gesamten Netz haben und somit auch das Schaltverhalten der Kompressorstation negativ beeinflussen. Druckluftspeicher können dann kurzzeitig diese hohen Verbräuche glätten und den Netzdruck stabilisieren.
System zur Steuerung (Ventile) mini| In der Fluidtechnik werden Ventile allgemein als Stellglieder bezeichnet, die die Steuerung der Arbeitsglieder übernehmen. Folgende Bauteilgruppen gibt es:
Druckventile, Sonderventile (z. B. Proportionalventile), Sperrventile, Stromventile und Wegeventile.
Anzahl der Schaltstellungen
Es gibt verschiedene Anzahlen von Schaltstellungen: Sie reichen von 2 bis 6. Hauptsächlich werden in der Industrie- und Automatisierungstechnik wegen der Herstellungskosten nur 2 oder 3 Schaltstellungen verwendet, wobei Ventile mit 2 Schaltstellungen bei „normalen“ Wegeventilen zum Schalten von Prozessen eingesetzt werden und solche mit 3 Schaltstellungen als Ventile mit Stoppfunktion eingesetzt werden.
Anzahl der Anschlüsse
Die Anzahl der Anschlüsse variiert zwischen zwei und sieben Anschlüssen. Bei 2/2-Wegeventilen findet nur ein normaler Durchlass von A nach B statt (fachmännisch ausgedrückt von 1 (P) (=Druckluftanschluss) nach 2 (A) (= Arbeitsanschluss)). Damit kann man z. B. in Lackier- oder Spinnmaschinen Blasfunktionen ein- und ausschalten. Bei 3/2-Wegeventilen ist neben den zwei oben genannten Anschlüssen noch ein Entlüftungsanschluss vorhanden, der in der Lage ist, die Schläuche oder auch das ganze System zu entlüften. Diese 3/2-Wegeventile finden Anwendung z. B. bei der Steuerung von einfachwirkenden Zylindern, aber auch zum „Freischalten“ von „neuen Wegen“ des pneumatischen Systems.
Bei fünf Anschlüssen findet man einen Druckluftanschluss 1(P), zwei Arbeitsanschlüsse 4 und 2 (A und B) und zwei Entlüftungsanschlüsse 5 und 3 (R und S). Die 2 Arbeitsanschlüsse werden zum Beispiel benötigt, um einen doppeltwirkenden Zylinder zu steuern, wobei einer den Zylinder auf der einen Seite mit Druckluft beaufschlagt (dass er ausfährt) und ihn auf der anderen Seite entlüftet (dass dieser einfahren kann).
Vier Anschlüsse findet man bei 4/2-Wegeventilen. Die Funktionsweise ist die gleiche wie bei den 5/2-Wegeventilen, jedoch wurden die zwei Entlüftungsanschlüsse durch eine bauteilinterne Bohrung verbunden (ein Druckluftanschluss + zwei Arbeitsanschlüsse + ein Entlüftungsanschluss = vier Anschlüsse). Steueranschlüsse werden als Anschlüsse nicht mitgezählt.
Anmerkung: Das P für den Druckluftanschluss steht für „Pressure“ (= „Druck“) und das R beim Entlüftungsanschluss steht für „Reset“ (= „Rücksetzen“). Nach neuen DIN-Normen werden der Druckluftanschluss P mit „1“, die Arbeitsanschlüsse A/B mit „2“ bzw. „4“ und die Entlüftungsanschlüsse R und S mit „3“ bzw. „5“ gekennzeichnet. Steueranschlüsse (für vorgesteuerte Ventile erforderlich) werden mit X, Y oder Z bzw. 12, 14 bezeichnet. „14“ bedeutet, dass ein Signal an diesem Anschluss den Weg von 1 nach 4 freigibt.
Betätigungsart In der Pneumatik finden verschiedene Betätigungsarten Anwendung. Einzuteilen sind diese in mechanische, elektrische, pneumatische und manuelle Betätigungen.