Steam Traps and Steam Trapping

Im Verlauf der Geschichte der Dampfnutzung stand Spirax Sarco immer an vorderster Stelle, wenn es darum ging, die Effizienz einer Dampfanlage zu steigern. Seit 1935 hat sich die Produktpalette von Spirax Sarco erheblich erweitert und wird heutzutage weltweit für alle Arten dampfnutzender Anlagen herangezogen. Heutzutage gibt es nur wenige Produktionsverfahren, welche bei der Herstellung eines Endproduktes nicht auf Dampf bauen.

Der Kondensatableiter ist ein unverzichtbares Teil eines jeden Dampfsystems. Er ist das wichtige Bindeglied zwischen einem guten Dampf- und Kondensatmanagement, da er Dampf zur maximalen Wärmeausnutzung im Prozess zurückhält, aber das Kondensat und nichtkondensierbare Gase zur richtigen Zeit ableitet.

Auch wenn man versucht ist, Kondensatableiter nur isoliert zu betrachten, sind es deren Einflüsse auf das gesamte Dampfsystem, welche oft nicht beachtet werden. Die folgenden Fragen sind hierbei von Bedeutung: 

Es kommt oft vor, dass auch wenn ein ungeeigneter Kondensatableiter für eine bestimmte Anwendung ausgewählt wurde, keine nachteiligen Auswirkungen festgestellt werden. Manchmal sind Kondensatableiter sogar vollkommen geschlossen, ohne dass Probleme auftreten, zum Beispiel bei einer Hauptdampfleitung, bei der eine unzureichende Kondensatableitung an einem Entwässerungspunkt zur Folge hat, dass der Überschuss einfach zum nächsten Punkt weitergeleitet wird. Das könnte aber sehr wohl zu einem Problem führen, wenn der nächste Entwässerungspunkt auch blockiert oder abgestellt ist!

Der aufmerksame Ingenieur wird vielleicht erkennen, dass der Verschleiß von Regelventilen, Undichtigkeiten und verminderte Analgenleistung beseitigt werden können, indem auf richtige Kondensatableitung geachtet wird. Es ist normal, dass jeder Mechanismus unter Verschleiß leidet und Kondensatableiter sind hier keine Ausnahme.

Wenn Kondensatableiter in Offenstellung ausfallen, kann eine bestimmte Menge an Dampf in das Kondensatsystem entweichen, auch wenn es oft eine geringere Menge ist, als man erwarten würde. Glücklicherweise gibt es heutzutage für den Dampfnutzer Wege, diese Ausfälle schnell zu erkennen und zu beheben.

Kein Dampfsystem ist ohne die wichtige Komponente „Kondensatableiter“ (oder Ableiter) vollständig. Er ist die wichtigste Verbindung zum Kondensatkreislauf, da er die Dampfnutzung mit der Kondensatrückführung verbindet.

Ein Kondensatableiter leitet im wahrsten Sinne des Wortes Kondensat (genauso wie Luft und andere nicht kondensierbare Gase) aus dem System ab und ermöglicht es dem Dampf, seinen Bestimmungsort so trocken wie möglich zu erreichen und seine Aufgabe effizient und wirtschaftlich auszuführen.

Die Kondensatmenge, die ein Kondensatableiter handhaben muss, kann sehr stark schwanken. Er muss eventuell Kondensat bei Dampftemperatur (d. h. sobald es im Dampfraum entsteht) ableiten, oder es ist möglicherweise erforderlich, unterhalb der Dampftemperatur abzuleiten und einen Teil der „sensiblen Wärme“ an den Prozess abzugeben.

Der Druck, bei dem Kondensatableiter arbeiten können, kann irgendwo zwischen Vakuum und weit über einhundert Bar liegen. Um diese vielfältigen Bedingungen abzudecken, gibt es viele verschiedene Typen, wobei jeder von ihnen seine Vor- und Nachteile hat. Die Erfahrung zeigt, dass Kondensatableiter am effizientesten arbeiten, wenn ihre Kenndaten richtig auf die der Anwendung abgestimmt sind. Es ist zwingend notwendig, dass der richtige Ableiter gewählt wird, um eine vorgegebene Aufgabe unter gegebenen Bedingungen auszuführen. Auf den ersten Blick ist es vielleicht nicht ersichtlich, was diese Bedingungen sind. Diese können Änderungen des Betriebsdrucks, der Wärmeleistung oder des Kondensatdrucks umfassen.

Kondensatableiter können Temperaturextremen oder sogar Wasserschlägen ausgesetzt sein. Sie müssen eventuell widerstandsfähig gegen Korrosion oder Schmutz sein. Wie auch immer die Bedingungen sein mögen, die richtige Kondensatableiterauswahl ist für die Systemeffizienz wichtig.

Es wird sich zeigen, dass ein Typ von Kondensatableiter unmöglich die richtige Wahl für alle Anwendungen sein kann. 

Aspekte der Kondensatableiterauswahl

Entlüftung

Beim „Anfahren“, d. h. zu Beginn des Prozesses, ist der Heizraum mit Luft gefüllt, welche, wenn sie nicht abgeleitet wird, die Wärmeübertragung verringert und die Aufwärmzeit verlängert. Die Anfahrzeiten steigen und die Anlageneffizienz nimmt ab. Es ist empfehlenswert, die Luft so schnell wie möglich abzuleiten, bevor sie die Möglichkeit hat, sich mit dem ankommenden Dampf zu vermischen. Sollten sich die Luft und der Dampf mischen, können sie nur durch Kondensation des Dampfs getrennt werden, so dass die Luft zurückbleibt, welche dann an einen sicheren Ort abgeleitet werden muss. Für größere oder ungünstige Dampfräume sind gegebenenfalls separate Entlüfter erforderlich, aber in den meisten Fällen wird die Luft im System über Kondensatableiter abgelassen. Hier haben thermische Ableiter einen klaren Vorteil gegenüber einigen anderen Ableitertypen, da sie beim Anfahren voll geöffnet sind. Schwimmerableiter mit eingebauten thermischen Entlüftern sind besonders hilfreich, wohingegen thermodynamische Ableiter auch ganz gut in der Lage sind, mit geringen Luftmengen umzugehen. Allerdings lassen die kleine Bohrung in Blendenkondensatableitern und das Entlüftungsloch bei Glockenschwimmerableitern Luft nur langsam ab. Das könnte die Produktionszeiten, die Aufwärmzeiten und die Korrosion ansteigen lassen.

Kondensatableitung

Nachdem der Ableiter die Luft abgelassen hat, muss er nun das Kondensat, aber nicht den Dampf durchlassen. Ein Dampfverlust an dieser Stelle ist ineffizient und unwirtschaftlich. Der Kondensatableiter muss dem Kondensat erlauben zu entweichen, wohingegen der Dampf im Prozess verbleibt. Wenn eine gute Wärmeübertragung für den Prozess kritisch ist, muss das Kondensat unverzüglich und bei Dampftemperatur abgeleitet werden. Kondensatrückstau als Folge falscher Kondensatableiterauswahl ist eine der Hauptursachen für ineffiziente Dampfanlagen.

Anlagenleistung

Wenn die grundlegenden Anforderungen der Luft- und Kondensatableitung berücksichtigt wurden, muss dann die Aufmerksamkeit auf die „Anlagenleistung“ gerichtet werden. Gehen sie einfach davon aus, dass für den optimalen Betrieb eines Wärmetauschers der Dampfraum mit sauberem, trockenen Dampf gefüllt sein muss, vorausgesetzt er ist nicht speziell für Kondensatrückstau ausgelegt. Der Kondensatableitertyp wird das beeinflussen. Thermische Ableiter halten beispielsweise das Kondensat zurück, bis es sich unter die Sattdampftemperatur abgekühlt hat. Sollte dieses Kondensat im Dampfraum verbleiben, würde es die Wärmeübertragungsfläche und damit die Wärmeleistung reduzieren. Die Ableitung von Kondensat bei der niedrigsten möglichen Temperatur kann vorteilhaft erscheinen, aber normalerweise erfordern die meisten Anwendungen, dass das Kondensat bei Dampftemperatur aus dem Dampfraum entfernt wird. Dies bedarf eines Kondensatableiters mit einem anderen Betriebsverhalten als dem des thermischen Typs, d. h. in der Regel entweder ein mechanischer oder ein thermodynamischer Ableiter.

Bevor ein bestimmter Kondensatableiter ausgewählt wird, ist es erforderlich, die Anforderungen des Prozesses zu berücksichtigen. Das entscheidet normalerweise darüber, welcher Ableitertyp erforderlich ist. Die Art und Weise, wie der Prozess mit dem Dampf- und Kondensatsystem verbunden ist, kann dann darüber entscheiden, welcher Kondensatableitertyp bevorzugt wird, um die Aufgabe unter diesen Bedingungen am besten zu lösen. Nach der Auswahl ist es erforderlich, den Kondensatableiter zu dimensionieren. Dies wird durch die Systembedingungen festgelegt und Prozessparameter wie beispielsweise:

• Maximaler Dampf- und Kondensatdruck
• Betriebsdruck Dampf und Kondensat 
• Temperaturen und Durchsätze 
• Ob der Prozess temperaturgeregelt ist

Diese Parameter werden in den folgenden Modulen dieses Blocks weitergehend besprochen. 

Zuverlässigkeit

Die Erfahrung hat gezeigt, dass „gute Kondensatableitung“ gleichbedeutend mit Zuverlässigkeit ist, d. h. optimale Leistung bei einem Minimum an Wartung.

Die Gründe für Unzuverlässigkeit hängen oft mit den folgenden Punkten zusammen:

• Korrosion auf Grund der Kondensatbeschaffenheit. Dem kann durch die Verwendung spezieller Werkstoffe und guter Speisewasserkonditionierung entgegengewirkt werden.
• Dampfschläge auf Grund einer Steigleitung nach dem Kondensatableiter, welche in der Auslegungsphase übersehen wurde und unnötige Beschädigungen an sonst zuverlässigen Kondensatableitern verursacht. 
• Schmutz, welcher sich in einem System angesammelt hat, bei dem Wasseraufbereitungsbestandteile aus dem Kessel mitgerissen wurden oder bei dem Rohrleitungsablagerungen die Ableiterfunktion beeinträchtigen können.

Die Primäraufgabe eines Kondensatableiters ist die korrekte Ableitung von Kondensat und Luft, und dies erfordert ein klares Verständnis dafür, wie Kondensatableiter funktionieren.

Nachdampf

Ein Effekt, der durch das Ableiten von heißem Kondensat aus einem Hochdruck- in ein Niederdrucksystem verursacht wird, ist das natürlich auftretende Phänomen von Nachdampf. Dies kann einen Betrachter in Bezug auf den Kondensatableiterzustand verwirren.

Betrachten wir die Enthalpie von gerade entstandenem Kondensat bei Dampfdruck und -temperatur (entnommen aus der Dampftafel). Zum Beispiel wird Kondensat bei einem Druck von 7 bar ü und einer Temperatur von 170.5°C eine Enthalpie von 721 kJ/kg beinhalten. Wenn dieses Kondensat in die Atmosphäre abgeführt wird, kann es nur in Form von gesättigtem Wasser bei 100 °C bestehen, welches eine Enthalpie von 419 kJ/kg beinhaltet. Der überschüssige Enthalpiegehalt von 721 - 419 d. h. 302 kJ/ kg wird einen Teil des Wassers verdampfen und eine Dampfmenge bei Atmosphärendruck erzeugen.

Der erzeugte Niederdruckdampf wird normalerweise als Nachdampf bezeichnet. Die Menge an freigesetztem Nachdampf kann wie folgt berechnet werden:

Wenn der Ableiter 500 kg/h Kondensat von 7 bar ü auf Atmosphärendruck ableitet, wäre die erzeugte Nachdampfmenge 500 x 0,134 = 67 kg/h, das entspricht einem Energieverlust von etwa 38 kW!

Das stellt eine ziemlich erhebliche Menge an nutzbarer Energie dar, welche allzu oft in der Wärmebilanz des Dampf- und Kondensatkreislaufs verloren geht und die eine einfache Möglichkeit bietet, die Systemeffizienz zu steigern, wenn sie erfasst und genutzt werden kann. 

Wie Kondensatableiter arbeiten

Es gibt drei Grundbauarten von Kondensatableitern, in welche alle Varianten fallen, und alle drei sind in der internationalen Norm ISO 6704 bzw. EN 26704 klassifiziert.

Kondensatableitertypen:

• Thermische (arbeiten auf Grund der Änderungen der Fluidtemperatur)
  Die Temperatur von Sattdampf wird durch seinen Druck bestimmt. Im Dampfraum gibt Dampf seine Verdampfungsenthalpie (Wärme) ab und bildet Kondensat bei Dampftemperatur. Auf Grund weiterer Wärmeverluste wird die Temperatur des Kondensates sinken. Ein thermischer Ableiter wird Kondensat dann durchlassen, wenn diese tiefere Temperatur erkannt wird. Wenn Dampf den Ableiter erreicht, steigt die Temperatur und der Ableiter schließt.
• Mechanische (arbeiten auf Grund der Änderung der Fluiddichte)
  Diese Reihe von Kondensatableitern arbeitet durch Erkennen des Dichteunterschieds zwischen Dampf und Kondensat. Sie umfassen Kugelschwimmer-Kondensatableiter und Glockenschwimmer-Kondensatableiter. Im Kugelschwimmer-Ableiter steigt die Kugel bei Vorhandensein von Kondensat auf und öffnet ein Ventil, welches das dichtere Kondensat ausleitet. Beim Glockenschwimmer-Ableiter schwimmt die Glocke auf, wenn Dampf in den Ableiter gelangt, um das Ventil zu schließen. Beide sind in ihrer Funktionsweise im Grunde genommen „mechanisch“.
• Thermodynamisch (funktioniert auf Grund der Änderungen in der Fluiddynamik)
  Thermodynamische Kondensatableiter sind zum Teil auf die Entstehung von Nachdampf aus dem Kondensat angewiesen. Zu dieser Gruppe gehören „Thermodynamische-“, „Scheiben-“, „Impuls-“ und „Labyrinth“-Kondensatableiter.

Zum weiteren Kreis dieses Typs gehören auch Blendenkondensatableiter, welche eigentlich nicht als automatische Armaturen bezeichnet werden können, da sie einfach aus einer Loch mit festem Durchmesser bestehen, das so bemessen ist, dass es eine berechnete Kondensatmenge bei festgelegten Bedingungen durchlassen kann.

Sie funktionieren alle auf Basis der Tatsache, dass heißes Kondensat nachverdampft, wenn es bei dynamischem Druck entspannt wird, und so ein Gemisch aus Dampf und Wasser entsteht.

Die folgenden Module nehmen auch Bezug auf diese Kondensatableiter.