Einführung

Das Kesselhaus

Der Kessel

Der Kessel ist das Zentrum des Dampfsystems. Der typische moderne Kessel wird von einem Brenner mit Energie versorgt, der Wärme in die Kesselrohre schickt.

Die heißen Gase aus dem Brenner strömen bis zu drei Mal rückwärts und vorwärts durch eine Reihe von Rohren, um die maximale Wärmeübertragung durch die Rohroberflächen an das umgebende Kesselwasser zu erzielen. Sobald das Wasser die Sättigungstemperatur erreicht hat (die Temperatur, bei der es bei dem Druck kochen wird), werden Dampfblasen erzeugt. Diese steigen an die Wasseroberfläche und zerplatzen. Der Dampf wird in den Raum darüber freigesetzt, bereit dazu, in das Dampfsystem zu gelangen. Das Absperrventil trennt den Kessel und seinen Dampfdruck vom Prozess oder der Anlage.

Wenn Dampf druckbeaufschlagt wird, nimmt er weniger Raum ein. Dampfkessel werden normalerweise unter Druck betrieben. So kann mehr Dampf durch einen kleineren Kessel erzeugt und über kleinere Rohrleitungen an den Einsatzort geleitet werden. Falls erforderlich, wird der Dampfdruck am Einsatzort gemindert.

Solange die im Kessel erzeugte Dampfmenge so groß ist wie die den Kessel verlassende, bleibt der Kessel unter Druck. Der Brenner wird dafür sorgen, dass der korrekte Druck erhalten bleibt. So wird auch die korrekte Dampftemperatur beibehalten, weil der Druck und die Sattdampftemperatur direkt zusammenhängen

Der Kessel besitzt einige Ausrüstungsteile und Regelungen, um sicherzustellen, dass er sicher, wirtschaftlich und effizient betrieben wird. 

Speisewasser

Die Qualität des Wassers, das in den Kessel gespeist wird, ist wichtig. Es muss die korrekte Temperatur haben, normalerweise etwa 80 °C, um einen Temperaturschock des Kessels zu verhindern und den Betrieb effizient zu gestalten. Es muss auch die richtige Qualität haben, um Schaden am Kessel zu vermeiden.

Normales, unbehandeltes Trinkwasser ist nicht ganz für Kessel geeignet und kann schnell dazu führen, dass diese schäumen und verschlammen. Der Kessel würde dadurch uneffizienter und der Dampf nass und schmutzig werden. Die Lebensdauer des Kessels würde ebenfalls kürzer werden.

Daher muss das Wasser über Chemikalien aufbereitet werden, um die darin enthaltenen Verunreinigungen zu reduzieren.

Sowohl die Speisewasseraufbereitung als auch seine Erwärmung finden im Speisewasserbehälter statt, welcher sich normalerweise hoch über dem Kessel befindet. Wenn es notwendig ist, speist eine Speisewasserpumpe Wasser in den Kessel. Die Erwärmung des Wassers im Speisewasserbehälter reduziert zudem die Menge des in Wasser gelösten Sauerstoffs. Das ist daher wichtig, weil sauerstoffreiches Wasser korrosiv ist.

Abschlammen

Die chemische Behandlung des Kesselspeisewassers führt allerdings dazu, dass Feststoffe im Kessel suspendieren bzw. ausfallen. Diese werden sich unweigerlich am Boden des Kessels in Form von Schlamm sammeln und durch einen Vorgang, der sich Abschlammen nennt, abgeleitet. Das kann manuell erfolgen - dazu verwendet der Kesselwärter einen Schlüssel, um, normalerweise zwei Mal am Tag, ein Abschlammventil zu öffnen.

Andere Verunreinigungen verbleiben nach der Behandlung als gelöste Feststoffe im Kesselwasser. Da der Kessel kontinuierlich Dampf erzeugt, wird deren Konzentration ansteigen. Daher muss regelmäßig ein Teil des Kesselinhaltes abgelassen werden, um die Konzentration zu reduzieren. Dieser Prozess wird Absalzen genannt. Er kann durch ein automatische System ausgeführt werden, das entweder einen Messfühler im Kessel oder eine kleine Prüfkammer, die eine Probe des Kesselwassers beinhaltet, verwendet, um den Salzgehalt im Kessel zu messen. Sobald der Salzgehalt einen gewissen Grenzwert erreicht, gibt eine Programmsteuerung dem Absalzventil das Signal, sich für eine bestimmte Zeit zu öffnen. Das abgelassene Wasser wird durch Speisewasser mit einer geringeren Konzentration an gelösten Salzen ersetzt, wodurch der gesamte Salzgehalt im Kessel reduziert wird.

Füllstandsregelung

Wenn der Füllstand im Kessel nicht sorgfältig kontrolliert wird, können die Folgen katastrophal sein. Wenn der Füllstand zu weit absinkt und die Kesselrohre freigelegt werden, dann können diese überhitzen und ausfallen, wodurch eine Explosion ausgelöst werden kann. Wenn der Füllstand zu hoch ist, könnte Wasser in das Dampfsystem eindringen und den Prozess beeinträchtigen.

Aus diesem Grund werden automatische Füllstandsregelungen eingesetzt. Um gesetzliche Vorgaben zu erfüllen, enthalten Systeme zur Füllstandsregelung auch Alarmfunktionen, die den Kessel herunterfahren und Alarm schlagen, wenn es ein Problem mit dem Füllstand gibt. Eine gebräuchliche Methode zur Füllstandsregelung ist die Verwendung von Fühlern, die den Füllstand im Kessel messen. Bei einem bestimmten Stand wird ein Niveauregler ein Signal zur Förderpumpe die anläuft, um den Füllstand wiederherzustellen, und diese abschaltet, wenn ein vorher festgelegter Stand erreicht ist. Der Fühler signalisiert Stände, bei denen die Pumpe ein- und ausgeschaltet wird, und aktiviert auch Hoch- oder Tiefstandalarme. Alternative Systeme verwenden Schwimmer. 

Die Strömung des Dampfes in die Anlage

Wenn Dampf kondensiert, wird sein Volumen stark verringert, was zu einer örtlichen Reduktion des Drucks führt. Dieser Druckabfall im System lässt den Dampf durch die Rohre strömen.

Der im Kessel erzeugte Dampf muss durch die Rohrleitungen an den Punkt geleitet werden, an dem seine Wärmeenergie benötigt wird. Am Anfang befinden sich dort eine oder mehrere Hauptleitungen, die Dampf vom Kessel in die generelle Richtung der Anlage leiten, die den Dampf verwendet. Kleinere Abzweigleitungen können den Dampf dann zu den individuellen Anlagenteilen transportieren.

Hochdruckdampf benötigt weniger Volumen als Dampf bei atmosphärischem Druck. Umso höher der Druck, umso kleiner ist der Innendurchmesser der Rohrleitungen, die für die Verteilung einer bestimmten Masse an Dampf benötigt werden.

Dampfqualität

Es ist wichtig sicherzustellen, dass der Dampf, der den Kessel verlässt, im richtigen Zustand zu dem Prozess gelangt. Um dies zu erreichen, beinhalten die Rohrleitungen, die den Dampf durch die Anlage befördern, normalerweise Schmutzfänger, Dampftrockner und Kondensatableiter.

Ein Schmutzfänger ist eine Art Filter in der Leitung. Er enthält ein Sieb, durch das der Dampf hindurchströmen muss. Ein Großteil des hindurchströmenden Schmutzes wird vom Sieb aufgefangen. Ein Schmutzfänger sollte regelmäßig gereinigt werden, um Verstopfungen zu vermeiden.

Schmutz sollte aus dem Dampfstrom entfernt werden, da er die Anlage stark beschädigen und auch das schlussendliche Produkt verunreinigen kann..

Der Dampf sollte so trocken wie möglich sein, um sicherzustellen, dass er die Wärme effektiv überträgt. Ein Dampftrockner ist eine Komponente in der Rohrleitung, die eine Reihe an Platten oder Prallblechen enthält, die die Strömung des Dampfes behindern. Der Dampf trifft auf die Platten und alle Flüssigkeitstropfen im Dampf werden dort abgeschieden, bevor sie vom Boden des Dampftrockners abgeleitet werden. 

Dampf strömt vom Kessel in die Hauptdampfleitungen. Anfangs sind die Rohrleitungen kalt und die Wärme wird vom Dampf auf sie übertragen. Die Luft, die die Rohre umgibt, ist auch kühler als der Dampf. Somit werden die Rohrleitungen anfangen, Wärme an die Luft abzugeben. Durch Isolierung der Rohre wird dieser Wärmeverlust stark verringert. Wenn Dampf aus dem Verteilungssystem in die Anlagenteile einströmt, die den Dampf nutzen, wird dieser erneut Energie abgeben, indem er a) die Anlagenteile aufwärmt und b) fortlaufend Wärme auf den Prozess überträgt. Wenn der Dampf Wärme verliert, wird er wieder zu Wasser. Sobald der Dampf den Kessel verlässt, ist es unvermeidbar, dass er dies tut. Das Wasser, das sich bildet, wird Kondensat genannt. Naturgemäß sammelt sich dies unten in den Rohren und wird von der Dampfströmung mitgetragen. Kondensat muss an den tiefsten Punkten der Verteilungsleitungen aus verschiedenen Gründen abgeleitet werden:

• Kondensat überträgt Wärme nicht effektiv. Ein Kondensatfilm in der Anlage wird die Effizienz reduzieren, mit der die Wärme übertragen wird.
• Wenn sich Luft in Kondensat löst, wird dieses korrosiv.
• Angesammeltes Kondensat kann laute und schädliche Wasserschläge auslösen. 
• Unzureichende Entwässerung führt zu undichten Verbindungen

Mit einem Kondensatableiter wird das Kondensat aus den Rohrleitungen abgeleitet und gleichzeitig Dampf davon abgehalten, aus dem System zu entweichen. Dies funktioniert auf verschiedene Arten:

• Ein Kugelschwimmerkondensatableiter nutzt den Dichteunterschied zwischen Dampf und Kondensat, um ein Ventil zu betätigen. Wenn das Kondensat in den Ableiter hineinfließt, wird eine Kugel angehoben und der Hebelmechanismus der Kugel öffnet das Ventil, damit das Kondensat abfließen kann. Wenn der Kondensatfluss abnimmt, sinkt die Kugel ab und schließt das Ventil, wodurch der nachfolgende Dampf nicht austreten kann.
• Thermodynamische Kondensatableiter enthalten eine Scheibe, die sich bei Kondensat öffnet und bei Dampf schließt.
• Bei Bimetallkondensatableitern nutzt ein Bimetallelement den Temperaturunterschied zwischen Dampf und Kondensat, um ein Ventil zu betätigen.
• Bei einem thermischen Kapsel-Kondensatableiter betätigt eine kleine, mit Flüssigkeit gefüllte Kapsel, die auf Wärme reagiert, das Ventil.

Sobald der Dampf im Prozess genutzt wurde, muss das daraus entstehende Kondensat aus der Anlage abgeleitet und zum Kesselhaus zurückgeführt werden. Dieser Prozess wird später in diesem Modul betrachtet.

Druckminderung

Wie zuvor erwähnt wird Dampf normalerweise bei einem hohen Druck erzeugt. Es kann vorkommen, dass der Druck am Einsatzort gemindert werden muss. Entweder aufgrund von Druckbegrenzungen der Anlage oder Temperaturbegrenzungen des Prozesses.

Dies wird durch ein Druckreduzierventil erreicht.

Dampf am Einsatzort

Es gibt eine große Vielfalt an dampfnutzenden Anlagen. Einige wenige Beispiele werden im Folgenden beschrieben:

• Ummantelte Kochkessel - Große Stahl- oder Kupferkochkessel, die in der Lebensmittel- oder anderen Industrien genutzt werden, um Substanzen zu kochen – von Garnelen bis hin zu Marmelade. Diese großen Kochkessel sind von einem Mantel umgeben, der mit Dampf gefüllt ist, welcher dazu dient, den Inhalt zu erwärmen.
• Autoklav - Eine dampfgefüllte Kammer wird zur Sterilisation verwendet, beispielsweise von medizinischen Geräten, oder um chemische Reaktionen bei hohen Temperaturen durchzuführen, beispielsweise beim Aushärten von Gummi.
• Heizregister - Dampf wird für die Raumbeheizung in die Heizschlangen in einem Heizregister geleitet. Die zu beheizende Luft strömt über die Heizschlangen.
• Prozesstankbeheizung - Eine mit Dampf gefüllte Heizschlange in einem mit Flüssigkeit gefüllten Tank dient zur Erwärmung des Inhaltes auf die gewünschte Temperatur.
• Vulkanisator - Ein großer, mit Dampf gefüllter Behälter, der für die Aushärtung von Gummi verwendet wird.
• Wellpappenanlage - Eine Reihe von dampfbeheizten Walzen, die im Wellpappenprozess eingesetzt werden, um Pappe zu produzieren.
• Wärmetauscher - Für die Erwärmung von Flüssigkeiten im Haushalt und in der Industrie.

Regelung des Prozesses

Jede dampfnutzende Anlage wird irgendeine Methode brauchen, um die Dampfströmung zu regeln. Eine konstante Dampfströmung bei gleichem Druck und gleicher Temperatur ist oft nicht erforderlich. Eine schrittweise ansteigende Strömung wird beim Anfahren gebraucht, um die Anlage behutsam aufzuwärmen. Sobald der Prozess die gewünschte Temperatur erreicht hat, muss die Strömung reduziert werden. 

Es werden Regelventile eingesetzt, um die Dampfströmung zu kontrollieren. Der Antrieb, siehe Abbildung 1.3.6, ist das Aggregat, das die Kraft aufbringt, um das Ventil zu öffnen oder zu schließen. 
Ein Sensor erfasst die Bedingungen in dem Prozess und überträgt diese Informationen an den Regler. Der Regler vergleicht die Prozessbedingung mit dem vorgegebenen Wert und schickt ein Stellsignal an den Stellantrieb. Dieser passt die Ventilstellungen an.

Es gibt eine Vielzahl an Reglerarten:

• Pneumatisch angetriebene Stellventile - Druckluft beaufschlagt eine Membran im Antrieb, um das Ventil zu öffnen oder zu schließen.
• Elektrisch angetriebene Stellventile - Ein elektrischer Motor betätigt das Ventil.
• Ohne Hilfsenergie - Es gibt an sich keinen Regler – der Sensor ist mit Flüssigkeit gefüllt, die sich je nach Änderung der Prozesstemperatur ausdehnt oder zusammenzieht. Dieser Vorgang erzeugt eine Kraft, um das Ventil zu öffnen oder zu schließen.

Kondensatableitung der Anlage

Oft lässt sich das angesammelte Kondensat über einen Kondensatableiter leicht aus der Anlage ableiten. Das Kondensat tritt in das Kondensatableitungssystem ein. Wenn es verunreinigt ist, 
wird es wahrscheinlich in den Abfluss geleitet. Wenn nicht, wird die darin enthaltene, wertvolle Wärmeenergie dadurch zurückgewonnen, dass es in den Speisewasserbehälter des Kessels 
zurückgeführt wird. Auf diese Weise werden auch Wasser- und Wasseraufbereitungskosten eingespart. 

Manchmal bildet sich in der Dampfanlage ein Vakuum. Dies verhindert die Kondensatableitung, aber nur eine sachgerechte Entwässerung des Dampfraums gewährleistet die Effektivität der 
Anlage. Das Kondensat muss dann gegebenenfalls hinausgepumpt werden.

Für diesen Zweck werden mechanische (mit Dampf angetriebene) Pumpen eingesetzt. Diese, oder elektrisch angetriebene Pumpen, werden verwendet, um das Kondensat zurück zum 
Kesselspeisewasserbehälter zu fördern. 

In Abbildung 1.3.7 wird eine mechanische Pumpe gezeigt, die einen Teil einer Anlage entwässert. Wie man sehen kann, stellt das Dampf- und Kondensatsystem einen geschlossenen Kreislauf dar.

Sobald das Kondensat den Speisewasserbehälter erreicht, steht es für den Kessel zur erneuten Nutzung zur Verfügung.

Energieüberwachung

In der umweltbewussten Welt von heute ist es für Kunden normal, den Energieverbrauch ihrer Anlage zu überwachen.

Dampfmengenmesser werden eingesetzt, um den Dampfverbrauch zu überwachen und um die Kosten den individuellen Bereichen der Anlage zuzuordnen.