Grundlagen der Dampftechnik und Wärmeübertragung
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Dampfverbrauch von Rohrleitungen und Lufterhitzern
Dampf kondensiert und gibt seine Verdampfungsenthalpie an die Wände aller Rohrleitungen und Rohre ab, welche der Umgebungsluft ausgesetzt sind. In vielen Fällen, wie zum Beispiel bei Hauptdampfleitungen, wird die Wärmeübertragung durch Isolierung der Leitungen verringert. Bei weiteren Anwendungen, wie beispielsweise bei Luftheizregistern, wird die Wärmeübertragung durch den Einsatz von Rippen auf der Rohraußenseite gefördert.
Es ist normalerweise nicht möglich und auch nicht erforderlich, den Dampfverbrauch exakt zu berechnen. Die Beispiele in diesem Modul ermöglichen es, ausreichende Abschätzungen für die meisten praktischen Anwendungszwecke zu machen.
Hauptdampfleitungen
Bei allen Dampfsystemen muss die Dampfkondensation, welche durch die Rohrleitung selbst verursacht wird, berücksichtigt werden. Die Kondensationsmenge wird während der Aufheizphase am größten sein, daher sollte diese für die Größe der Kondensatableiter in Hauptdampfleitungen maßgebend sein. Während des Betriebs der Hauptdampfleitung wird es auch einen geringeren (aber kontinuierlichen) Wärmeverlust durch die Leitung geben. Beide Bestandteile können als „Anfahrleistung“ und „Betriebsleistung“ berechnet werden.
Anfahrleistung
Anfangs wird Wärme dafür benötigt, die kalte Rohrleitung auf Betriebstemperatur zu bringen. Es ist gängige Praxis, dies aus Sicherheitsgründen langsam zu tun, zudem wirken sich die reduzierten thermischen und mechanischen Belastungen positiv auf die Leitungen aus. Dies wird weniger Leckagen, geringere Wartungskosten und eine längere Standzeit der Leitung zur Folge haben. Langsames Anfahren kann durch die Installation eines kleinen Ventils parallel zum Hauptabsperrventil erreicht werden (Abb. 2.12.1). Dieses Ventil kann auf Basis der erforderlichen Anfahrzeit dimensioniert werden. Eine Automatisierung des Anfahrventils, um bei großen Rohrleitungen langsam zu öffnen, kann die Sicherheit verbessern.
Ein einziges Hauptabsperrventil kann auch erfolgreich eingesetzt werden, aber da es so bemessen sein wird, dass es den erforderlichen Auslegungsmassenstrom der Rohrleitung durchlassen kann, wird es in der Anfahrphase überdimensioniert sein und demzufolge sehr nahe an seinem Schließpunkt arbeiten. Ein vor dem Ventil eingebauter Dampftrockner wird sicherstellen, dass der durchströmende Dampf trocken ist und die Ventilinnengarnitur vor frühzeitigem Verschleiß geschützt wird.
Die gewählte Zeit, um jede Hauptdampfleitung aufzuwärmen, sollte innerhalb akzeptabler Grenzen so lange wie möglich sein, um die mechanische Leitungsbelastung zu minimieren, die Sicherheit zu optimieren und die Anfahrleistungen zu reduzieren.
Wenn 10 anstelle von 5 Minuten Anfahrzeit gewählt werden können, dann reduziert sich der anfängliche Dampfmassenstrom um die Hälfte. Eine Anfahrzeit von 20 Minuten wird die Anfahrleistung noch weiter reduzieren.
Der erforderliche Dampfmassenstrom, um das Rohrleitungssystem auf Betriebstemperatur zu bringen, ist eine Funktion aus der Masse und der spezifischen Wärmekapazität des Werkstoffes, dem Temperaturanstieg, der Verdampfungsenthalpie des eingesetzten Dampfes und der zulässigen Zeit.
Das kann durch die Gleichung 2.12.1 ausgedrückt werden:
Beispiel 2.12.1 Wärmeverluste einer Dampfrohrleitung
Ein System besteht aus 100 m einer DN 100 Stahlhauptdampfleitung, welche 9 Paare von PN 40 Verbindungsflanschen und ein Absperrventil beinhaltet.
cp für Stahl = 0,49 kJ/kg °C
Die Umgebungs-/Anfangstemperatur beträgt 20 °C und der Dampfdruck 14 bar ü bei 198 °C aus der Dampftafel (siehe Tabelle 2.12.2).
Tabelle 2.12.2 Auszug aus der Dampftafel
| Druck bar g |
Sättigungs- temperatur °C |
Enthalpie (Energie) in in kJ/kg | Spezifisches Volumen von trockenem gesättigtem Dampf m3/kg |
||
| Wasser hf |
Verdampfung hfg |
Dampf hg |
|||
| 14 | 198 | 845 | 1 947 | 2 792 | 0.132 |
Bestimmen Sie:
Teil 1. Die Anfahrkondensatmenge bei einer Aufwärmzeit von 30 Minuten.
Teil 2. Die Betriebsleistung, wenn die Isolierstärke 75 mm beträgt.
Teil 1 Berechnen sie die Anfahrleistung
Hinweis: Die Kondensationsmenge wird dazu verwendet werden, ein geeignetes Anfahrregelventil auszuwählen.
Bei der Auswahl der Kondensatableiter sollte diese Kondensationsmenge mit dem Faktor zwei multipliziert werden, um den niedrigeren Dampfdruck, der vorhanden sein wird, bis das Anfahren abgeschlossen ist, zu berücksichtigen, und dann durch die Anzahl der zu installierenden Kondensatableiter dividiert werden, um die erforderliche Leistung für die einzelnen Kondensatableiter zu erhalten.
Tabelle 2.12.3 Typische Gewichte von Stahlrohrleitungen, Flanschen und Schrauben, und Absperrventilen in kg
| Nennweite (DN) | PN 40 Leitung kg/m | Flanschgewicht pro Paar | Absperrventil geflanscht PN40 | ||
| PN40 | ASME (ANSI) 150 |
ASME (ANSI) 300 |
|||
| 15 | 1.3 | 1.7 | 1.8 | 2 | 4 |
| 20 | 1.7 | 2.3 | 2.2 | 3 | 5 |
| 25 | 2.5 | 2.6 | 2.4 | 4 | 6 |
| 32 | 3.4 | 4 | 3 | 6 | 8 |
| 40 | 4.1 | 5 | 4 | 8 | 11 |
| 50 | 5.4 | 6 | 6 | 9 | 14 |
| 65 | 8.6 | 9 | 8 | 12 | 19 |
| 80 | 11.3 | 11 | 11 | 15 | 26 |
| 100 | 16.1 | 16 | 16 | 23 | 44 |
| 150 | 28.2 | 28 | 26 | 32 | 88 |
Teil 2 Betriebsleistung
Der Dampf wird kondensieren, da Wärme von der Rohrleitung an die Umgebung verloren geht. Die Kondensationsmenge hängt dabei von folgenden Faktoren ab:
- Die Dampftemperatur.
- Die Umgebungstemperatur.
- Die Effizienz der Isolierung.
Tabelle 2.14.4 zeigt typische Wärmeabstrahlungswerte für unisolierte Stahlleitungen bei ruhender Luft mit 20 °C.
Tabelle 2.12.4 Wärmeabstrahlungsmenge für unisolierte Stahlleitungen, welche Luft bei 20 °C ungehindert ausgesetzt sind (W/m)
| Temperaturdifferenz zwischen Dampf und Luft in °C | Nennweite (DN) | |||||||||
| 15 | 20 | 25 | 32 | 40 | 50 | 65 | 80 | 100 | 150 | |
| 50 | 56 | 68 | 82 | 100 | 113 | 136 | 168 | 191 | 241 | 332 |
| 60 | 69 | 85 | 102 | 125 | 140 | 170 | 208 | 238 | 298 | 412 |
| 70 | 84 | 102 | 124 | 152 | 170 | 206 | 252 | 289 | 360 | 500 |
| 80 | 100 | 122 | 148 | 180 | 202 | 245 | 299 | 343 | 428 | 594 |
| 100 | 135 | 164 | 199 | 243 | 272 | 330 | 403 | 464 | 577 | 804 |
| 120 | 173 | 210 | 256 | 313 | 351 | 426 | 522 | 600 | 746 | 1 042 |
| 140 | 216 | 262 | 319 | 391 | 439 | 533 | 653 | 751 | 936 | 1 308 |
| 160 | 263 | 319 | 389 | 476 | 535 | 651 | 799 | 918 | 1 145 | 1 603 |
| 180 | 313 | 381 | 464 | 569 | 640 | 780 | 958 | 1 100 | 1 374 | 1 925 |
| 200 | 368 | 448 | 546 | 670 | 754 | 919 | 1 131 | 1 297 | 1 623 | 2 276 |
| 220 | 427 | 520 | 634 | 778 | 877 | 1 069 | 1 318 | 1 510 | 1 892 | 2 655 |
Hauptverteilleitungen sind jedoch normalerweise isoliert und es ist sicherlich von Vorteil, wenn Flansche und andere Rohleitungsteile ebenfalls isoliert sind. Wenn die Hauptdampfleitung geflanscht ist, hat jedes Flanschenpaar ungefähr dieselbe Oberfläche wie 300 mm Rohrleitung in der gleichen Nennweite.
Die Wärmeübertragungsmenge nimmt zu, wenn die Wärmeübertragungsfläche bewegter Luft ausgesetzt ist. In diesem Fall sollten die in Tabelle 2.12.5 dargestellten Werte berücksichtigt werden.
Wenn gerippte oder gewellte Rohre montiert sind, sollten immer die Herstellerwerte für die Wärmeabstrahlung verwendet werden.
Im Allgemeinen entsprechen Geschwindigkeiten von bis zu 4 bis 5 m/s (ungefähr 10 mph) einer leichten Brise, zwischen 5 und 10 m/s (ungefähr 10 -20 mph) einer starken Brise. Im Vergleich dazu betragen die typischen Luftleitungsgeschwindigkeiten ungefähr 3 m/s.
Tabelle 2.12.5 Ungefähre Zunahme der Abstrahlung auf Grund von Luftbewegung über Rohrleitungen mit hohem Emissionsgrad.
|
Luftgeschwindigkeit (m/s) |
Emissionsfaktor |
| 0 | 1 |
| 0.5 | 1 |
| 1 | 1.3 |
| 1.5 | 1.5 |
| 2 | 1.7 |
| 2.5 | 1.8 |
| 3 | 2 |
| 4 | 2.3 |
| 6 | 2.9 |
| 8 | 3.5 |
| 10 | 4 |
Hinweis: Es ist schwierig, genaue Zahlen anzugeben, da viele Faktoren involviert sind. Die Faktoren in Tabelle 2.12.5 sind abgeleitet und geben einen groben Anhaltspunkt, mit was die Werte aus Tabelle 2.12.4 multipliziert werden sollten. Rohrleitungen, die Luftbewegungen von bis zu ungefähr 1 m/s ausgesetzt sind, können wie bei ruhender Luft betrachtet werden, und die Wärmeverluste sind bis zu diesem Punkt nahezu konstant. Als Orientierungshilfe kann man sagen, dass gestrichene Rohre einen hohen, oxidierter Stahl einen mittleren und polierter Edelstahl einen geringen Emissionsgrad haben.
Die Abnahme der Wärmeverluste wird von der Art und Dicke des verwendeten Isoliermaterials und dessen Allgemeinzustand abhängen. In den meisten praktischen Anwendungsfällen wird die Isolierung der Dampfleitungen die Wärmeabstrahlung aus Tabelle 2.12.4 um den Isolationsfaktor (f), dargestellt in Tabelle 2.12.6, reduzieren.
Beachten Sie, dass dies nur Richtwerte sind. Für genauere Berechnungen kontaktieren Sie den Isolationshersteller.
Table 2.12.6 Isolationsfaktor 'f'
| Nennweite (DN)) | Dampfdruck | |||
| 1 bar ü | 5 bar ü | 15 bar ü | 20 bar ü | |
| 50 mm Isolierung | ||||
| 15 | 0.16 | 0.14 | 0.13 | 0.12 |
| 20 | 0.15 | 0.13 | 0.12 | 0.11 |
| 25 | 0.14 | 0.12 | 0.11 | 0.1 |
| 32 | 0.13 | 0.11 | 0.1 | 0.1 |
| 40 | 0.12 | 0.11 | 0.1 | 0.09 |
| 50 | 0.12 | 0.1 | 0.09 | 0.08 |
| 65 | 0.11 | 0.1 | 0.09 | 0.08 |
| 80 | 0.1 | 0.1 | 0.08 | 0.07 |
| 100 | 0.1 | 0.09 | 0.08 | 0.07 |
| 150 | 0.1 | 0.09 | 0.07 | 0.07 |
| 75 mm Isolierung | ||||
| 15 | 0.14 | 0.13 | 0.12 | 0.11 |
| 20 | 0.13 | 0.11 | 0.11 | 0.1 |
| 25 | 0.13 | 0.11 | 0.1 | 0.09 |
| 32 | 0.11 | 0.1 | 0.09 | 0.08 |
| 40 | 0.1 | 0.09 | 0.09 | 0.08 |
| 50 | 0.1 | 0.09 | 0.08 | 0.07 |
| 65 | 0.1 | 0.08 | 0.08 | 0.07 |
| 80 | 0.09 | 0.08 | 0.07 | 0.07 |
| 100 | 0.08 | 0.08 | 0.07 | 0.06 |
| 150 | 0.08 | 0.07 | 0.07 | 0.06 |
| 100 mm Isolierung | ||||
| 15 | 0.12 | 0.11 | 0.1 | 0.08 |
| 20 | 0.11 | 0.1 | 0.09 | 0.07 |
| 25 | 0.1 | 0.09 | 0.08 | 0.07 |
| 32 | 0.1 | 0.08 | 0.08 | 0.06 |
| 40 | 0.09 | 0.08 | 0.08 | 0.06 |
| 50 | 0.08 | 0.08 | 0.07 | 0.06 |
| 65 | 0.08 | 0.07 | 0.06 | 0.05 |
| 80 | 0.07 | 0.07 | 0.06 | 0.05 |
| 100 | 0.07 | 0.07 | 0.06 | 0.05 |
| 150 | 0.07 | 0.06 | 0.05 | 0.04 |
Die Wärmeverluste von isolierten Hauptdampfleitungen können durch Gleichung 2.12.2 ausgedrückt werden:
Bestimmen Sie die Länge L:
Unter der Annahme, dass jedem Flanschenpaar ein Zuschlag von 0,3 m und jedem Absperrventil von 1,2 m entspricht, ist die gesamte effektive Länge (L) der Hauptdampfleitung in diesem Beispiel:
Bestimmen Sie den Wärmeabstrahlungsmenge Q̇:
Die Dampftemperatur bei 14 bar ü beträgt 198 °C und bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C ist die Temperaturdifferenz 178 °C. Aus Tabelle 2.12.4: Wärmeverlust für eine DN 100 Leitung ≈ 1 374 W/m
Bestimmen Sie den Isolationsfaktor f:
Der Isolationsfaktor für eine 75 mm Isolierung auf einer DN 100 Leitung bei 14 bar ü beträgt ungefähr 0,07 (aus Tabelle 2.12.6).
Aus diesem Beispiel wird ersichtlich, dass die Anfahrleistung von 161 kg/h (siehe Beispiel 2.12.1, Teil 1) wesentlich größer als die Betriebsleistung von 18,3 kg/h ist und im Allgemeinen Kondensatableiter, welche auf der Anfahrleistung ausgelegt worden sind, automatisch die Betriebslast abdecken können.
Wenn die obige Hauptdampfleitung unisoliert oder die Isolierung beschädigt wäre, dann wäre die Betriebslast ungefähr vier Mal größer.
Vergleichen Sie bei unisolierten oder schlecht isolierten Leitungen immer die Betriebs- und Anfahrlast. Die höhere Leistung sollte wie oben beschrieben immer für die Auslegung der Kondensatableiter verwendet werden. Idealerweise sollte die Qualität der Isolierung verbessert werden.
Hinweis: Bei der Berechnung von Anfahrverlusten ist es sinnvoll, die korrekte Rohrleitungsspezifikation zu berücksichtigen, da die Leitungsgewichte zwischen verschiedenen Leitungsnormen schwanken können.
Luftheizung
Die Dichte und die spezifische Wärmekapazität von Luft ändert sich mit der Temperatur nur gering. Für die meisten praktischen Anwendungszwecke, bei denen Luft für Heizung, Lüftung, Klimatisierung und Prozessanwendungen erwärmt wird, kann für den unten aufgeführten Ansatz ein Richtwert von 1,3 kJ/m³ °C für die spezifische Wärmekapazität und 1,3 kg/m3 für die Dichte angesetzt werden.
Luftbeheizrohre
Erwärmte Luft ist für viele Anwendungen erforderlich, einschließlich:
- Raumheizung.
- Belüftung.
- Prozessanwendungen.
Die dafür benötigte Apparatur besteht aus einer Reihe von mit Dampf gefüllten Rohren, welche in einem Luftstrom installiert sind. Da die Luft über die Rohre strömt, wird Wärme von Dampf auf die Luft übertragen. Um die Größe und das Gewicht des Apparats zu minimieren und einen Einbau in beengten Räumen mit wenig Auflageraufwand zu ermöglichen und die Kosten zu begrenzen, wird die Wärmeübertragung der Rohre an die Luft durch die Anbringung von Rippen auf der Rohraußenwand vergrößert.
Dies hat eine Vergrößerung der verfügbaren Wärmeübertragungsfläche zur Folge und reduziert somit die erforderliche Anzahl an Rohren. Abbildung 2.12.2 zeigt ein Beispiel eines Rippenrohres.
Allgemein können Luftbeheizer in zwei Kategorien eingeteilt werden:
- Heizgeräte.
- Luftheizregister.
Heizgeräte
Diese bestehen aus einem Heizregister und einem Ventilator innerhalb eines kompakten Gehäuses (Abbildung 2.1.3). Das Primärmedium (Dampf) kondensiert in dem Heizregister und die Luft wird erwärmt, da sie über die Rohrschlange geführt und in den Raum verteilt wird.
Diese Heizgeräte können so gestaltet sein, dass sie eine Frischluftansaugung haben, aber häufiger arbeiten sie mit umgewälzter Luft.
Die warme Luft kann entweder vertikal nach unten oder horizontal verteilt werden. Dampfdruck, Installationshöhen, Art der Verteilung und Austrittstemperaturen hängen alle miteinander zusammen und die Herstellerdaten sollten herangezogen werden, bevor eine Heizgerät ausgewählt wird. Die meisten dieser Einheiten gibt es mit Niedrig-, Mittel- oder Hochgeschwindigkeitsgebläsen, was die Nennleistung beeinflusst, und auch hier sollte der Hersteller zu Rate gezogen werden, da der Geräuschpegel von Hochgeschwindigkeitsgebläsen eventuell nicht akzeptabel ist.
Luftheizregister
Dies sind viel größere und ausgereiftere Versionen von Heizgeräten, wie in Abbildung 2.12.4. gesehen werden kann. Sie sind in vielen Konfigurationen lieferbar, einschließlich für Dachmontage oder horizontale Ausführungen, und es können auch ein Gebläse und ein Filter integriert sein. Sie sind normalerweise Bestandteil eines Frischluftansaugsystems.
- Es können einstellbare Lüftungsklappen vorhanden sein, um das Verhältnis von Frisch- zu Umwälzluft einzustellen.
- Es können eine Vielzahl von Heizregistern eingebaut sein, um für einen Einfrierschutz zu
Die Hersteller von Heizern und Luftheizregistern geben normalerweise die Leistung ihrer Geräte in kW bei entsprechendem Betriebsdruck an. Aus dieser kann die Kondensationsmenge durch Division der Heizleistung durch die Verdampfungsenthalpie bei dem entsprechenden Dampfdruck berechnet werden. Das Ergebnis wird in kg/s sein; dies multipliziert mit 3 600 (Sekunden für eine Stunde) ergibt das Ergebnis in kg/h.
Somit kondensiert ein 44-kW-Heizer, welcher bei 3,5 bar ü (hfg = 2 120 kJ/kg aus der Dampftafel) arbeitet:
Hinweis: Der Faktor 3 600 ist in der Gleichung vorhanden, um den Massenstrom in kg/h anstelle von kg/s zu erhalten. Falls die Herstellerangaben nicht vorhanden sind, aber Folgendes bekannt ist:
- Der Volumenstrom an zu beheizender Luft
- Der Temperaturanstieg der zu beheizenden Luft.
- Der Dampfdruck im Heizregister.
Dann kann die Kondensationsmenge unter Verwendung der Gleichung 2.12.3 berechnet werden:
Hinweis: Der Faktor 3 600 ergibt das Ergebnis in kg/h anstelle von kg/s.
Werden horizontal verlaufende Rohre in Heizregistern in mehreren Rohrreihen übereinander verbaut, die auf natürliche Konvektion angewiesen sind, dann wird das mit zunehmender Anzahl an Rohren ineffizienter. Wenn die Kondensationsmenge solcher Heizregister berechnet wird, sollten die in Tabelle 2.12.5 gegebenen Werte mit den Emissionsfaktoren aus Tabelle 2.12.7 multipliziert werden.
Vertikal installierte Heizrohre sind weniger effektiv als horizontale Rohre. Die Kondensationsmenge solcher Rohre kann durch Multiplikation der Werte aus Tabelle 2.12.4 mit den Faktoren aus Tabelle 2.12.6 ermittelt werden.
Tabelle 2.12.7 kann auch für die Berechnung der Kondensationsmenge horizontaler Rohre zur Beheizung ruhender Luft herangezogen werden. In diesem Fall verwenden Sie Gleichung 2.12.4:
Einfluss des Luftvolumenstromes
Wenn ein Gebläse eingesetzt wird, um den Luftvolumenstrom über die Heizrohre zu steigern, wird auch die Kondensationsmenge zunehmen. Die Werte für die Wärmeabstrahlung für blanke Stahlrohre (Tabelle 2.14.4) können verwendet werden, wenn sie entsprechend mit den Faktoren aus den Tabellen 2.12.5, 2.12.7 und 2.12.8 multipliziert werden.
Wenn Rippenrohre in Betracht gezogen werden, sollten immer die Herstellerwerte für die Wärmeabstrahlung verwendet werden.
Beispiel 2.12.2 Berechnen Sie die Dampflast eines Luftheizregisters
Ein Luftheizregister erhöht die Temperatur von mit 2,3 m³/s strömender Luft von 18 °C auf 82 °C (∆T = 64 °C) unter Verwendung von Dampf mit 3,0 bar ü in den Heizschlangen.
