Grundlagen der Dampftechnik und Wärmeübertragung
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Kessel- und Tankbeheizung über Dampfinjektion
Die direkte Dampfinjektion basiert auf der Einleitung einer Reihe von Dampfblasen in eine Flüssigkeit niedrigerer Temperatur. Die Dampfblasen kondensieren dabei und geben ihre Wärme an die
umgebende Flüssigkeit ab.
Die Wärme wird durch direkten Kontakt zwischen dem Dampf und der Flüssigkeit übertragen, demzufolge wird diese Methode nur angewandt, wenn Verdünnung und Anstieg der Flüssigkeitsmasse akzeptiert werden können. Daher ist die zu beheizende Flüssigkeit normalerweise Wasser. Direkte Dampfinjektion wird selten dafür verwendet, Lösungen, in denen eine chemische Reaktion stattfindet,
zu erwärmen, da die Verdünnung der Lösung die Reaktionsgeschwindigkeit verlangsamt und damit die Produktivität verringert.
Direkte Dampfinjektion ist in der Industrie die am häufigsten verwendete Methode der Speisewassertankbeheizung. Dieses Verfahren wird oft wegen seiner Einfachheit gewählt. Es sind weder eine Wärmeübertragungsfläche noch ein Kondensatableiter erforderlich und es gibt keinen Grund, sich über ein Kondensatrückführsystem Gedanken zu machen.
Berechnung des Dampfverbrauchs
Bei der direkten Dampfinjektion wird die Wärme in einer anderen Art und Weise wie beim indirekten Wärmetausch übertragen. Da die Wärme nicht über eine Oberfläche übertragen wird und sich der Dampf ungehindert mit dem zu beheizenden Prozessfluid mischt, muss die Menge der nutzbaren Wärme im Dampf auf eine andere Weise berechnet werden. Das kann man bei Anwendung der Gleichung 2.11.1 sehen:
Gleichung 2.11.1 zeigt, dass die Dampfinjektion die gesamte Verdampfungsenthalpie (oder latente Wärme) und eine Teil der im Dampf enthaltenen Flüssigkeitsenthalpie ausnutzt. Der tatsächliche Anteil der genutzten Flüssigkeitsenthalpie wird dabei von der Wassertemperatur am Ende des Injektionsprozesses abhängen.
Ein Hauptunterschied zwischen der indirekten Beheizung und der direkten Dampfinjektion ist, dass das Volumen (und die Masse) der Prozessflüssigkeit um die Menge des injizierten Dampfes zunimmt.
Ein weiterer Unterschied ist, dass bei der Berechnung des Dampfmassenstromes für eine Dampfheizschlange der Druck in der Schlange berücksichtigt wird, wogegen bei der Dampfinjektion der Druck vor dem Regelventil Anwendung findet.
In einigen Fällen (bei denen die Flüssigkeitsoberfläche noch nicht auf dem Niveau der Überlaufleitung ist) wird dies die Flüssigkeitssäule über dem Injektor über die Zeit ansteigen lassen. Der Anstieg ist wahrscheinlich jedoch gering und wird bei Berechnungen selten berücksichtigt.
Faktoren, die die Wärmeübertragungsmenge beeinflussen
In Gleichung 2.11.1 steht die Dampfverbrauchsmenge in direktem Zusammenhang mit dem Wärmebedarf. Solange das Dampfinjektionssystem nicht so gestaltet ist, dass alle Bedingungen zur maximalen Wärmeübertragung führen, werden die Dampfblasen vielleicht nur über die Flüssigkeitsoberfläche entweichen und in die Atmosphäre verschwinden; ein Teil der im Dampf enthaltenen Wärme geht an die Atmosphäre verloren und die tatsächliche Wärmeübertragungsmenge an das Wasser ist geringer als erwartet.
Bei einer eingetauchten Heizschlange hängt die maximale Wärmeübertragungsmenge am Beginn der Aufwärmperiode sowohl vom maximalen Dampfmassenstrom, der durch das Regelventil und die verbundene Rohrleitung strömen kann, als auch von der maximalen Wärmeleistung, welche über die Heizschlangenoberfläche übertragen werden kann, ab.
Bei der direkten Dampfinjektion kann man davon ausgehen, dass die maximale Wärmeübertragungsmenge ganz am Anfang der Aufwärmperiode vom maximalen Durchsatz durch das Regelventil, die Rohrleitung und den Injektor selbst abhängt. Wie jedoch schon angedeutet, wird sie auch von anderen Faktoren beeinflusst werden, wie beispielsweise:
- Größe der Dampfblasen
Die Kondensation einer Dampfblase hängt von der Wärmeübertragung über die Oberfläche der Blase ab. Um sicherzugehen, dass die Dampfblase vollständig kondensiert ist, muss das Oberflächen-/Volumen-Verhältnis so groß wie möglich sein. Kleinere Blasen haben eine größere Oberfläche je Volumeneinheit als größere Blasen und somit ist es wünschenswert, sehr kleine Blasen zu erzeugen. Der bei der Entstehung der Blase vorhandene Differenzdruck (zwischen der Dampfleitung und der Stelle, an der der Dampf in das Wasser geleitet wird) beeinflusst ebenfalls die Größe der Dampfblase. Das spezifische Volumen des Dampfs wird größer, da der Druck reduziert wird, und somit wird ein Druckabfall die Größe der Dampfblase ansteigen lassen, wenn sie in die Flüssigkeit entweicht. Auch wenn die Dampfblase über ein sehr kleines Loch eingeleitet wird, kann die Blase wesentlich an Größe zunehmen, wenn der Dampfdruck hoch ist. Demzufolge ist ein geringerer Druck in der Sprühlanze besser. - Flüssigkeitssäule über der Injektionsstelle
Die Flüssigkeitssäule über der Injektionsstelle erzeugt einen Gegendruck und somit ist der Differenzdruck geringer als der Dampfdruck. Wenn die Flüssigkeitssäule hoch und der Dampfdruck in der Sprühlanze gering ist, kommt es nur zu einer geringen Druckänderung, so dass die Größe der erzeugten Blasen auf einem Minimum bleibt. Eine größere Flüssigkeitssäule über der Injektionsstelle gibt den Dampfblasen die maximale Möglichkeit zu kondensieren, bevor sie die Oberfläche erreicht haben. - Geschwindigkeit der Blase
Die Geschwindigkeit der Blase am Injektionspunkt wird auch von der Differenz zwischen Dampfdruck und Flüssigkeitssäule abhängen. Man sollte anstreben, diesen Differenzdruck so gering wie möglich zu halten, damit die Blasengeschwindigkeiten auch so gering wie möglich sind und die Blasen möglichst viel Zeit haben zu kondensieren, bevor sie die Oberfläche erreichen. - Temperatur der Flüssigkeit
Die Menge an Dampf die kondensieren wird, ist direkt proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem Dampf und der beheizten Flüssigkeit. Wie bei allen Wärmeübertragungsprozessen ist Wärmeübertragungsmenge direkt proportional zur Temperaturdifferenz. Es ist immer ratsam sicherzustellen, dass die Temperatur der Flüssigkeit richtig geregelt und auf dem für die Anwendung erforderlichen Minimum gehalten wird, sodass die maximale Wärmeübertragungsmenge erreicht und keine Energie verschwendet wird.
Sprühlanzen
Dabei handelt es sich einfach um ein im Tank montiertes Rohr, in welches in regelmäßigen Abständen (normalerweise auf 4-Uhr- und 8-Uhr-Position vom Ende gesehen) gleichmäßig über die Länge verteilt Löcher gebohrt sind und dessen Ende verschlossen ist. Der Dampf verlässt durch die Löcher in Form kleiner Blasen das Rohr, welche entweder wie gewünscht kondensieren oder die Oberfläche der Flüssigkeit erreichen (siehe Abb. 2.11.1)
Sprühlanzen sind kostengünstig herzustellen und leicht zu installieren, aber sie sind dafür anfällig, hohe Vibrations- und Geräuschpegel zu erzeugen. Eine weit effektivere Methode ist die Verwendung sachgerecht gestalteter Dampfinjektoren.
Beispiel 2.11.1 - Bestimmung der Dampfmenge zur Erhitz eines Wassertanks durch Dampfeinspritzung
Die Berechnungen (Schritt 1 bis 5) basieren auf Beispiel 2.9.1 und im Hinblick auf Wärmeverluste auf Beispiel 2.10.1, aber der Tank beinhaltet jetzt Wasser (cp = 4,19 kJ/kg °C) anstelle der leichten Säurelösung, und das Wasser wird durch direkte Dampfinjektion anstatt über eine Dampfheizschlange erwärmt.
Schritt 1 - Ermitteln Sie unter Verwendung von Gleichung 2.6.1 die erforderliche Energie, um 12 000 kg Wasser innerhalb von 2 Stunden von 8 °C auf 60 °C aufzuheizen:
Dampf steht am Regelventil mit 2,6 bar ü an. Um den mittleren Dampfdurchsatz zu berechnen, ist es notwendig, die gesamte Enthalpie des Dampfes (hg) bei diesem Druck zu bestimmen. Aus Tabelle
2.11.1 (ein Auszug aus der Dampftafel) ist ersichtlich, dass die gesamte Enthalpie des Dampfes (hg) bei 2,6 bar ü 2 733,89 kJ/kg beträgt.
Tabelle 2.11.1 Auszug aus der Dampftafel
| Druck bar g | Sättigungstemperatur °C | Spezifische Enthalpie (Energie) in kJ/kg | Spezifisches Volumen von trocken gesättigtem Dampf m3/kg |
||
| Wasser hf |
Verdampfung hfg |
Dampf hg |
|||
| 2.4 | 138.011 | 580.741 | 2 150.53 | 2 731.27 | 0.536766 |
| 2.5 | 139.023 | 585.085 | 2 147.51 | 2 732.60 | 0.522409 |
| 2.6 | 140.013 | 589.333 | 2 144.55 | 2 733.89 | 0.50882 |
| 2.7 | 140.98 | 593.49 | 2 141.65 | 2 735.14 | 0.495939 |
Schritt 2 - Ermitteln Sie unter Verwendung der Gleichung 2.11.1 den mittleren Dampfmassenstrom, um das Wasser aufzuheizen:
Schritt 3 - Ermitteln Sie den mittleren Dampfmassenstrom, um das Tankmaterial (Stahl) aufzuheizen.
Aus Beispiel 2.9.1 beträgt die mittlere Wärmeübertragungsmenge, um das Tankmaterial aufzuheizen = Q̇(Tank) = 14 kW.
Der mittlere Dampfmassenstrom für die Aufheizung des Tankmaterials berechnet sich wieder unter Verwendung der Gleichung 2.11.1:
Schritt 4 - Ermitteln Sie den mittleren Dampfmassenstrom, um die Wärmeverluste des Tanks beim Aufwärmen zu decken. Aus Beispiel 2.9.1:
Während es einfach zu verstehen ist, dass die Flüssigkeitsenthalpie des Dampfes dazu beiträgt, die Temperatur des Wassers und des Tankmaterials zu erhöhen, ist es schwieriger zu verstehen, wie die Flüssigkeitsenthalpie des Dampfes zu den Wärmeverlusten des Tanks durch Strahlung beiträgt. Daher berücksichtigt die Gleichung zur Berechnung des Dampfverbrauches für die Wärmeverluste (Gleichung 2.11.2) nur die Verdampfungsenthalpie des Dampfes bei Atmosphärendruck.
Schritt 5 - Bestimmen Sie die Dampfmenge, um den Wassertank über Dampfinjektion aufzuheizen. Der gesamte mittlere Dampfdurchsatz kann folgendermaßen berechnet werden:
Es ist wichtig daran zu denken, dass bei Systemen mit Dampfinjektion die Endmasse der Flüssigkeit der Summe aus der Masse der kalten Flüssigkeit und der Masse des zugeführten Dampfes entspricht.
In diesem Beispiel beginnt der Prozess mit 12 000 kg Wasser. Während der erforderlichen Aufheizzeit von 2 Stunden wurde Dampf mit einem Massenstrom von 569 kg/h injiziert. Die Flüssigkeitsmasse ist daher um 2 h x 569 kg/h = 1 138 kg angestiegen.
Die Endmasse der Flüssigkeit beträgt: 12 000 kg + 1 138 kg = 13 138 kg.
Die zusätzlichen 1138 kg Kondensat haben ein Volumen von ungefähr 1138 Liter (1,138 m³) und haben den Wasserspiegel angehoben um:
Demzufolge muss der Prozesstank genügend Raum über dem Ausgangswasserspiegel aufweisen, um diesen Anstieg zu ermöglichen. Aus Sicherheitsgründen sollte bei Dampfinjektion immer ein Überlauf in der Tankkonstruktion vorgesehen werden.
Falls es die Prozessbedingung alternativ erforderlich machen würde, mit einer Masse von 12 000 kg zu enden, wäre die Wassermasse zu Beginn des Prozesses:
Dampfinjektoren
Eine effektivere Alternative zur Sprühlanze ist der in Abbildung 2.11.3 dargestellte Dampfinjektor. Der Injektor saugt die kalte Flüssigkeit an, mischt sie im Injektor mit dem Dampf und verteilt dann die erwärmte Flüssigkeit im Tank.
Die konstruktive Auslegung des Injektorgehäuses ist viel ausgeklügelter als die einfache Sprühlanze und ermöglicht, Dampf bei höheren Drücken einzusetzen. Es wird ein turbulenter Bereich innerhalb des Injektorgehäuses erzeugt, welcher sicherstellt, dass auch bei relativ hohen Drücken eine vollständige Mischung von Dampf und Flüssigkeit stattfindet. Das hat zur Folge, dass die Flüssigkeit so gemischt und umgewälzt wird, dass eine konstante Temperatur über den ganzen Tank aufrechterhalten wird, ohne Temperaturschichtung oder kalte Stellen.
Diese Injektoren sind zudem viel kompakter als Sprühlanzen und demzufolge können Kollisionen mit gegebenenfalls in den Tank eingetauchten Gegenständen verhindert werden. Sie sind robuster und im Allgemeinen ruhiger als Sprühlanzen, obwohl auch Geräuschprobleme auftreten können, wenn sie nicht richtig installiert werden.
Geräuschbildung in Verbindung mit Dampfinjektoren
Beim Einsatz von Hochdruckdampfinjektoren entstehen unter den folgenden Bedingungen drei unterschiedliche Geräuschpegel:
- Normaler Betrieb
Wenn der Dampfdruck am Injektoreinlass über 2 bar ü beträgt, kann das entstehende Geräusch als leichtes Brausen beschrieben werden. Das Geräusch wird durch die Kondensation des Dampfes innerhalb des Auslassrohres verursacht, da er sich dort mit dem umgewälzten Wasser mischt, welches durch die Bohrungen in das Gussgehäuse gesaugt wird. Unter normalen Bedingungen ist der Austritt aus dem Injektor 10 °C heißer als das einströmende Wasser. Diese Art von Geräusch nimmt mit Dampfdruck, Wassertemperatur und Anzahl der Injektoren zu, aber ist bei Dampfdrücken unter 8 bar ü selten störend. Obwohl es bei Drücken über 8 bar ü zu starken Verwirbelungen des Tankinhaltes kommt, sind nur geringe Vibrationen zu erwarten. - Unvollständige Kondensation
Diese spiegelt sich in einem leicht schlagenden Geräusch wieder und wird manchmal von starken Vibrationen begleitet. Das tritt dann auf, wenn die Flüssigkeitstemperaturen zu hoch sind (normalerweise über 90 °C). Wenn die Flüssigkeit zu heiß ist, wird der Injektor weniger effizient und ein Teil des Dampfes entweicht über das Auslassrohr. Bei höheren Dampfdrücken kann die Kondensation des Dampfes Vibrationen verursachen, was für drucklose Tanks nicht zu empfehlen ist. In zylindrischen Druckbehältern mit einer stabilen Gestaltung verursacht das normalerweise keinerlei Probleme. - Geringe Durchsätze
Wenn der Dampfdruck am Injektoreinlass unter 1,5 bar ü abfällt, kann man ein ausgeprägtes Prasseln hören. Bei diesen Bedingungen ist der Dampf nicht in der Lage, seine Verdampfungsenthalpie abzugeben, bevor er das Injektorrohr verlässt. Bei geringen Durchsätzen strömt der Dampf mit geringerer Geschwindigkeit als bei den anderen Betriebsbedingungen und es kommt zu kollabierenden Dampfblasen im Gussgehäuse und der Verbindungsleitung, was zu Kavitation führt. Dieses Geräusch wird oft als störend empfunden und tritt dann auf, wenn der Dampfinjektor überdimensioniert ist. Geräusche können auch durch unsachgemäße Installation des Injektors verursacht werden. Die Wände von rechteckigen Tanks werden oft aus relativ biegsamen Platten gefertigt. Einen Injektor in der Mitte einer biegsamen Platte zu installieren, kann zu Vibrationen und Geräuschen führen. Es ist oft besser, den Injektor näher an einer Ecke des Tanks zu montieren, an der die Struktur steifer ist.
Beispiel 2.11.2
Entwickeln Sie auf Basis der Daten von Beispiel 2.11.1 ein Dampfinjektorsystem.
Erforderliche zu injizierende Dampfmenge = 569 kg/h
Dampfdruck zur Injektion = 1,0 bar ü
Tabelle 2.11.2 Typische Leistungstabelle eines Dampfinjektors
| Injektor type | IN15 | IN25M | IN40M |
| Dampfdruck am Eintritt des Injektors (bar g) | Sattdampfdurchsatz in kg/h | ||
| 1 | 20 | 135 | 400 |
| 2 | 48 | 175 | 580 |
| 3 | 66 | 280 | 805 |
| 4 | 84 | 350 | 970 |
| 5 | 102 | 410 | 1 125 |
| 6 | 120 | 500 | 1 295 |
| 7 | 138 | 580 | 1 445 |
| 8 | 156 | 640 | 1 620 |
| 9 | 174 | 700 | 1 820 |
| 10 | 192 | 765 | 1 950 |
| 11 | 210 | 830 | 2 250 |
| 12 | 228 | 900 | 2 370 |
| 13 | 246 | 975 | 2 595 |
| 14 | 264 | 1 045 | 2 710 |
| 15 | 282 | 1 095 | 2 815 |
| 16 | 300 | 1 170 | 3 065 |
| 17 | 318 | 1 225 | 3 200 |
Der größte Injektor (IN40M) hat eine Leistung von 400 kg/h bei 1,0 bar ü, somit erfordert diese Anwendung:
Idealerweise würden die Injektoren auf Grund des geringen vorhandenen Dampfdrucks auf den gegenüberliegenden Seiten des Tanks installiert werden, um eine gute Durchmischung zu erzielen.
Eine Alternative wäre es, einen höheren Dampfdruck zu verwenden. Das würde den Einsatz von nur einem kleineren Injektor ermöglichen, was die Kosten senkt und immer noch eine gute Durchmischung liefert.
Alternative Methode zur Berechnung der injizierten Dampfmenge
Das vorangegangene Verfahren, welches in diesem Modul verwendet wurde, um den mittleren Dampfmassenstrom zu berechnen, erfordert, dass zuerst der mittlere Wärmebedarf bestimmt wird. Dies zeigt sich in Gleichung 2.11.1:
Falls die mittlere Wärmeübertragungsmenge nicht bekannt ist, kann noch eine andere Methode angewandt werden, um den mittleren Dampfmassenstrom zu bestimmen. Dies erfordert den Einsatz einer Wärmebilanz wie unten beschrieben.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass beide Methoden das exakt gleiche Ergebnis liefern, und welche davon verwendet wird, liegt in der Entscheidung des Anwenders.
Berechnung des mittleren Dampfmassenstroms mit Hilfe einer Wärmebilanz
Eine Wärmebilanz berücksichtigt, dass der anfängliche Wärmeinhalt des Wassers plus der Wärme, die durch den Dampf zugeführt wird, dem Wärmeinhalt am Ende entspricht. Die Wärmebilanzgleichung für den Wassertank ist in Gleichung 2.11.3 dargestellt:
Die Masse des zu injizierenden Dampfes
Die Masse des zu injizierenden Dampfes kann direkt mit Gleichung 2.11.4 ermittelt werden, welche aus Gleichung 2.11.3 abgeleitet wurde.
Beispiel 2.11.3
Gehen Sie von den selben Bedingungen wie in Beispiel 2.1.1. aus.
Ansatz der Wärmebilanz für das Wasser im Tank unter Verwendung von Gleichung 2.11.4
Ansatz der Wärmebilanz für das Tankmaterial
Die Wärmeverluste über die Tankseiten und die Wasseroberfläche sind die gleichen wie zuvor berechnet und sie betragen 24 kg/h.
Das ist das gleiche Ergebnis wie das, welches wir zuvor in diesem Modul aus Gleichung 2.11.1 und 2.11.2 erhalten haben, und bestätigt, dass beide Methoden verwendet werden können, um den Dampfmassenstrom zur Beheizung des Wassertanks und seines Inhaltes zu berechnen.