Grundlagen der Dampftechnik und Wärmeübertragung
Inhalt
Dampfqualität
Dampf sollte am Einsatzort in der richtigen Menge, mit dem richtigen Druck, sauber, trocken und frei von Luft und anderen nicht kondensierbaren Gasen verfügbar sein. Dieses Kapitel erklärt, warum dies notwendig ist und wie die Dampfqualität sichergestellt wird.
Dampf sollte am Einsatzort verfügbar sein:
Die korrekte Dampfmenge
Für jeden Beheizungsprozess muss die korrekte Dampfmenge zur Verfügung stehen, um sicherzustellen, dass für die Wärmeübertragung ein ausreichender Wärmestrom gewährleistet ist.
Ebenso muss auch die korrekte Durchflussmenge zur Verfügung gestellt werden, damit das Produkt nicht verdirbt oder es keine Verringerung der Produktionsgeschwindigkeit gibt. Der Dampfbedarf muss richtig berechnet und die Leitungen korrekt ausgelegt werden, um die benötigte Durchflussmenge zu erreichen.
Der korrekte Druck und die korrekte Temperatur von Dampf
Dampf sollte den Einsatzort bei dem benötigten Druck erreichen und die gewünschte Temperatur für jede Anwendung bereitstellen, sonst wird die Leistung beeinträchtigt werden. Die korrekte Auslegung von Rohrleitungen und Rohrleitungszubehör wird gewährleisten, dass dies erreicht wird.
Doch selbst wenn das Manometer den gewünschten Druck korrekt anzeigt, könnte die entsprechende Sättigungstemperatur nicht verfügbar sein, wenn der Dampf Luft und/oder nicht kondensierbare Gase enthält.
Luft und andere nicht kondensierbare Gase
Es ist Luft innerhalb der Dampfleitungen und -armaturen beim Anfahren vorhanden. Selbst wenn das System bei der letzten Nutzung mit reinem Dampf gefüllt gewesen wäre, würde der Dampf beim Herunterfahren kondensieren und Luft in das entstehende Vakuum gezogen werden.
Wenn Dampf in das System eintritt, wird er die Luft entweder zum Entwässerungspunkt oder zu dem vom Dampfeintritt am weit entferntesten Punkt drängen. Deshalb sollten Kondensatableiter mit ausreichender Entlüftungskapazität an diesen Entwässerungspunkten montiert werden. Außerdem sollten automatische Entlüfter an allen entferntesten Punkte installiert sein.
Wenn jedoch Verwirbelungen auftreten, vermischen sich Dampf und Luft und die Luft wird zur Wärmeübertragungsfläche transportiert. Wenn der Dampf kondensiert, verbleibt eine isolierende Luftschicht auf der Oberfläche, die die Wärmeübertragung beeinträchtigt
Dampf-/Luftgemisch
In einem Dampf-/Luftgemisch wird das Vorhandensein von Luft dazu führen, dass die Temperatur niedriger als erwartet ausfällt. Der Gesamtdruck eines Gasgemisches wird aus der Summe der Partialdrücke der Komponenten des Gemisches zusammengesetzt.
Dies ist als das Daltonsche Partialdruckgesetz bekannt. Der Partialdruck ist der Druck, der von jeder Komponente ausgeübt wird, wenn sie dasselbe Volumen wie das Gemisch einnehmen würde:
Hinweis: Dies ist eine thermodynamische Beziehung, daher müssen alle Drücke in bar abs angegeben werden.
Beispiel 2.4.1
Denken Sie an ein Dampf-/Luftgemisch, das zu 3/4 aus Dampf und 1/4 aus Luft nach Volumen zusammengesetzt ist.
Der Gesamtdruck beträgt 4 bar abs. Bestimmen Sie die Temperatur des Gemisches:
Deshalb besitzt der Dampf nur einen effektiven Druck von 3 bar abs im Gegensatz zu seinem scheinbaren Druck von 4 bar abs. Das Gemisch hätte dann nur eine Temperatur von 134 °C im Gegensatz zu der erwarteten Sättigungstemperatur von 144 °C.
Dieses Phänomen ist nicht nur bei Wärmeübertragungsanwendungen von Bedeutung (wo die Wärmeübertragungsmenge mit einem Anstieg der Temperaturdifferenz zunimmt), sondern auch bei Prozessanwendungen, wo eine Minimaltemperatur erforderlich sein könnte, um die chemische oder physikalische Veränderung eines Produktes zu erreichen. Eine Minimaltemperatur ist beispielsweise bei einem Sterilisator entscheidend, um Bakterien abzutöten.
Weitere Ursachen für Luft im Dampf- und Kondensatkreislauf
Luft kann auch in Lösung mit dem Kesselspeisewasser in das System gelangen. Frischwasser und Kondensat nehmen, wenn sie der Atmosphäre ausgesetzt sind, schnell Stickstoff, Sauerstoff und Kohlensäure auf: die Hauptbestandteile atmosphärischer Luft. Wenn das Wasser im Kessel erwärmt wird, werden diese Gase mit dem Dampf freigesetzt und in das Verteilungssystem geleitet.
Nach Volumenanalyse besteht atmosphärische Luft zu 78 % aus Stickstoff, 21 % aus Sauerstoff und 0,03 % aus Kohlensäure. Die Löslichkeit von Sauerstoff ist jedoch ungefähr doppelt so hoch wie die von Stickstoff, wohingegen Kohlensäure etwa 30 mal löslicher als Sauerstoff ist!
Dies bedeutet, dass im Kesselspeisewasser gelöste „Luft“ einen sehr viel höheren Anteil an Kohlensäure und Sauerstoff enthält: beide führen zu Korrosion im Kessel und in den Leitungen. Die Temperatur des Speisewasserbehälters wird normalerweise nicht unter 80 °C gehalten, damit Sauerstoff und Kohlensäure wieder in die Atmosphäre freigesetzt werden können, da die Löslichkeit dieser gelösten Gase mit steigender Temperatur abnimmt.
Die Konzentration gelöster Kohlensäure wird zudem dadurch auf einem Minimum gehalten, dass das Frischwasser bei der externen Wasseraufbereitung demineralisiert und entgast wird.
Die Konzentration gelöster Gase kann durch die Anwendung des Henry-Gesetzes bestimmt werden. Dieses besagt, dass die Masse an Gas, die in einem gegebenen Volumen an Flüssigkeit gelöst werden kann, direkt proportional zum Partialdruck des Gases ist.
Das trifft jedoch nur zu, wenn die Temperatur konstant bleibt und keine chemische Reaktion zwischen der Flüssigkeit und dem Gas stattfindet.
Reinheit des Dampfes
Ablagerungsschichten, die an den Innenwänden von Leitungen gefunden werden, können entweder aufgrund der Bildung von Rost bei älteren Dampfsystemen oder Karbonatablagerungen in Gebieten mit hartem Wasser entstehen. Weitere Arten von Verschmutzung, die in einer Dampfleitung gefunden werden können, sind beispielsweise Schweißschlacke und schlecht aufgetragenes oder überschüssiges Nahtmaterial, das in dem System zurückblieb, als die Leitungen installiert wurden. Diese Fragmente werden die Erosionswirkung in den Rohrbogen und den kleinen Öffnungen von Kondensatableitern und Ventilen erhöhen.
Aus diesem Grund entspricht es den Regeln der Technik, Rohrleitungsschmutzfänger zu installieren (wie in Abbildung 2.4.2 dargestellt). Diese sollten vor jedem Kondensatableiter, Durchflussmessgerät, Druckreduzierventil und Stellventil eingebaut sein.
Dampf strömt vom Eintritt A durch das Lochsieb B zum Auslass C. Während Dampf und Wasser einfach durch das Sieb hindurchströmen, wird der Schmutz zurückgehalten werden. Der Stopfen D kann entfernt werden, wodurch das Sieb regelmäßig herausgenommen und gereinigt werden kann.
Wenn Schmutzfänger in Dampfleitungen montiert werden, sollten sie auf der Seite liegend installiert werden, sodass die Ansammlung von Kondensat und das Problem des Wasserschlags vermieden werden können. Diese Ausrichtung wird auch die maximale Fläche des Schmutzfängersiebes der Strömung aussetzen.
Eine Ablagerungsschicht kann auch auf der Wärmeübertragungsfläche vorhanden sein und wird so zu einem zusätzlichen Widerstand für den Wärmedurchgang. Ablagerungsschichten sind oft eine Folge von:
- Unzureichendem Betrieb eines Kessels, wodurch Verunreinigungen vom Kessel in Wassertröpfchen übertragen werden.
- Inkorrekte Wasseraufbereitung im Kesselhaus.
Das Tempo, mit der sich diese Schicht aufbaut, kann durch sorgfältige Beachtung des Kesselbetriebes und durch die Entfernung jeglicher Wassertröpfchen verringert werden.
Trockenheit des Dampfes
Unzureichende chemische Speisewasseraufbereitung und Zeiträume von Lastspitzen können das Mitreißen und die Übertragungen von Speisewasser des Kessels in die Dampfleitungen verursachen. Dies führt dazu, dass Chemikalien und weitere Materialien auf den Wärmeübertragungsflächen abgelagert werden. Diese Ablagerungen werden sich mit der Zeit ansammeln, wodurch die Effizienz der Anlage nach und nach abnimmt.
Wenn Dampf den Kessel verlässt, muss zudem ein Teil davon aufgrund des Wärmeverlustes durch die Rohrleitungswände kondensieren. Obwohl diese Leitungen gut isoliert sein können, kann dieser Prozess nicht komplett verhindert werden.
Als Folge ist der in der Anlage ankommende Dampf relativ feucht und die Flüssigkeitströpfchen, die der Dampf mit sich trägt, können Leitungen, Armaturen und Ventile erodieren, insbesondere wenn die Geschwindigkeiten hoch sind.
Es wurde bereits gezeigt, dass das Vorhandensein von Wassertröpfchen im Dampf die tatsächliche Verdampfungsenthalpie verringert und auch zur Bildung von Ablagerungen auf den Rohrwänden und der Wärmeübertragungsfläche führt.
Die im Dampf enthaltenen Wassertröpfchen können zu dem widerstandsfähigen Wasserfilm beitragen, der erzeugt wird, wenn der Dampf kondensiert. So entsteht ein weiterer Widerstand für den Wärmeübertragungsprozess.
Ein Dampftrockner in der Dampfleitung wird die in der Dampfströmung enthaltenen Feuchtigkeitströpfchen entfernen – sowie jegliches Kondensat, das sich unten in der Leitung angesammelt hat.
Im Dampftrockner, der in Abbildung 2.4.3 dargestellt ist, wird der Dampf mehrere Male zu einem Richtungswechsel gezwungen, während er durch die Armatur strömt. Die Trennwand erzeugt ein Hindernis für die schwereren Wassertröpfchen, wohingegen der leichtere, trockene Dampf frei durch den Trockner strömen kann.
Die Feuchtigkeitströpfchen fließen die Trennwand herunter und werden über den unteren Anschluss des Trockners in einen Kondensatableiter abgeleitet. So wird Kondensat aus dem System entwässert, aber Dampf kann nicht entweichen.
Wasserschläge
Da der Dampf aufgrund der Wärmeverluste in der Leitung zu kondensieren beginnt, bildet das Kondensat Tröpfchen an der Innenseite der Wände. Diese werden mit der Dampfströmung mitgetragen und bilden schließlich einen Film. Das Kondensat bewegt sich dann zur Unterseite der Leitung, wo der Film an Dichte gewinnt.
Die Ansammlung von Tröpfchen über die Länge einer Dampfrohrleitung kann schließlich einen Wasserpfropfen bilden (wie in Abbildung 2.4.4 gezeigt wird), der mit Dampfgeschwindigkeit durch die Rohre transportiert wird (25 - 30 m/s).
Dieser Wasserpfropfen hat eine hohe Dichte und ist inkompressibel. Wenn er sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, verfügt er über eine beträchtliche Menge an kinetischer Energie.
Die Gesetze der Thermodynamik besagen, dass Energie nicht erzeugt oder zerstört, sondern nur in eine andere Form umgewandelt werden kann.
Wird das Wasser beispielsweise durch eine Biegung oder ein T-Stück in der Leitung behindert, wird dessen kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt und ein Druckstoß auf das Hindernis ausgeübt.
Kondensat wird sich auch an Tiefpunkten sammeln und Kondensatpfropfen können durch die Dampfströmung mitgerissen und stromabwärts auf Ventile und Leitungsbauteile prallen.
Zu diesen Tiefpunkten kann eine durchhängende Leitung gehören, was an ungenügenden Leitungsstützen oder einem kaputten Rohrträger liegen kann. Zu den weiteren möglichen Ursachen für Wasserschlag zählen der unsachgemäße Einbau von konzentrischen Reduzierungen und Schmutzfängern oder die unzureichende Entwässerung vor einem Anstieg in der Dampfleitung. Einige von diesen werden in Abbildung 2.4.5 dargestellt.
Der Lärm und die Vibration, die von dem Stoß des Wasserpfropfens auf das Hindernis entstehen, wird Wasserschlag genannt.
Wasserschläge können die Lebensdauer von Rohrleitungszubehör stark reduzieren. In schwerwiegenden Fällen kann ein Formstück nahezu explosionsartig zerbersten. Die Folge kann Frischdampfverlust an der Bruchstelle sein, wodurch es zu gefährlichen Situationen kommen kann.
Die Installation von Dampfrohrleitungen wird in Block 9, Dampfverteilung, vertieft.
