Das Kesselhaus

Wärmerückgewinnung aus der Kesselabsalzung

Das vorherige Modul behandelte das Wasser, das aus einem Kessel abgesalzt wird, um einen akzeptablen TDS-Wert aufrechtzuerhalten. Dieses Wasser hat eine Reihe von Eigenschaften:

• Es ist verunreinigt- Das bedeutet, dass:
  
  - Das Wasser ist in der Regel für andere Anwendungen ungeeignet.
  
  - Das verunreinigte Wasser kann ein Entsorgungsproblem darstellen.
  
  
• Es ist heiß - Das bedeutet, dass:
  
  - Ein Teil des Wassers wird bei Atmosphärendruck nachverdampfen.
  
  - Das heiße Wasser kann ein Entsorgungsproblem darstellen. So kann beispielsweise eine beträchtliche Menge zu entsorgen sein.

Ein Wärmerückgewinnungssystem kann viele dieser Probleme lösen.

Energiemenge in der Absalzung

Anhand der Daten aus der Absalzberechnung, Beispiel 3.12.5, kann die abgesalzte Energiemenge anhand der Dampftafel berechnet werden.

Hinweis 1 kJ/s = 1 kW

Beispiel 3.13.1

Um die Energiemenge in einen Kontext zu stellen: in Nordwesteuropa wird die durchschnittliche Hauszentralheizung auf ca. 13 kW ausgelegt, so dass die in Beispiel 3.13.1 abgesalzte Energiemenge für die Beheizung von 19 Häusern ausreichen würde.

Zur Klarstellung: die obige Berechnung verwendet eine Dampftafel, bei der Wasser mit 0 °C der Ausgangspunkt ist.

In Wirklichkeit wird das Frischwasser zum Ausgleich der Absalzung bei einer höheren Temperatur zugeführt, so dass die abgesalzte Energiemenge etwas geringer ausfällt. Wenn beispielsweise das Frischwasser 10 °C hätte, würde die abgesalzte Energiemenge 228 kW betragen.

Nachdampf

Das aus dem Kessel austretende Absalzwasser ist Wasser mit einer dem Kesseldruck entsprechenden Sättigungstemperatur. Im Falle des Kessels aus Beispiel 3.13.1 beträgt bei 10 bar ü diese Temperatur 184 °C. Es ist klar, dass Wasser bei 184 °C unter atmosphärischen Bedingungen nicht existieren kann, da im Absalzwasser ein Überschuss an Enthalpie oder Energie vorhanden ist.

Unter der Annahme, dass das Absalzwasser an ein Entspannungssystem mit 0,5 bar ü abgegeben wird, kann die Dampftafel verwendet werden, um diesen Energieüberschuss zu quantifizieren:

Dieser Energieüberschuss verdampft einen Teil des Wassers zu Dampf, und dieser Dampf wird als Nachdampf oder Entspannungsdampf bezeichnet.

Die Menge des Nachdampfes lässt sich leicht durch Berechnung bestimmen oder kann aus Tabellen oder Diagrammen abgelesen werden.

Beispiel 3.13.2

Die spezifische Verdampfungsenthalpie bei 0,5 bar ü (h_fg) aus der Dampftafel beträgt 2 226 kJ/kg.

Daher werden 14,1% des aus dem Kessel abgelassenen Wassers in Dampf umgewandelt, wenn sein Druck über das Abschlammventil von 10 auf 0,5 bar ü abfällt.

Es gibt zwei Möglichkeiten:

1. Ableitung des Nachdampfs über den Absatzbehälter in die Atmosphäre, mit der damit verbundenen Verschwendung von Energie und dem evtl. hochwertigen Wasser aus dem kondensierten Dampf.
2. Nutzung der Energie aus dem Nachdampf und Rückgewinnung des Wasser durch Kondensation des Nachdampfes. Es ist dafür hilfreich, die Energiemenge im Nachdampf zu quantifizieren. Dies kann mit Hilfe der Dampftafel erfolgen.

Beispiel 3.13.3

Vergleichen Sie dies mit der Leistung von 241 kW, die aus dem Kessel abgesalzt wird.

Es ist möglich, diesen Nachdampf zu nutzen: In diesem Beispiel stellt er fast 49% der Energiemenge in der Absalzung und 14,1% des abgesalzten Wassers dar.

Die Verwendung von Werten aus der Dampftafel für die obigen Berechnungen gehen davon aus, dass das Speisewasser bei einer Temperatur von 0 °C zugeführt wird. Für eine höhere Genauigkeit sollte die tatsächliche Änderung der Speisewassertemperatur verwendet werden.

Rückgewinnung und Nutzung des Nachdampfs

Der Nachdampf kann über einen Absalzentspanner rückgewonnen werden. Im Wesentlichen bietet ein Absalzentspanner einen Raum, in dem die Geschwindigkeit niedrig genug ist, um die Trennung von Heißwasser und Entspannungsdampf zu ermöglichen und von dort aus zu verschiedenen Teilen der Anlage geleitet zu werden.

Die Konstruktion des Absalzentspanners ist nicht nur aus Sicht der Dampf-/Wasser-Trennung wichtig, sondern sollte auch konstruktiv nach einer anerkannten Druckbehälternorm wie der DGRL ausgelegt und gebaut werden.

Dies ist nicht nur eine gute Ingenieurpraxis, der Kesselinspektor wird auch darauf bestehen, wenn die Anlage abgenommen werden soll.

Der nächstliegende Ort für die Verwendung des Nachdampfs ist der Speisewassertank des Kessels, der sich meist in der Nähe befindet.

Die Wassertemperatur im Speisewassertank ist wichtig. Ist sie zu niedrig, werden Chemikalien zur Sauerstoffbindung des Wassers benötigt; ist sie zu hoch, kann die Förderpumpe kavitieren. Wenn die Wärmerückgewinnung zu einer zu hohen Vorlauftemperatur führen kann, ist es natürlich nicht sinnvoll, Nachdampf in den Tank abzugeben. Andere Lösungen sind möglich, wie z. B. die Speisewassererwärmung auf der Druckseite der Speisepumpe oder die Erwärmung der Verbrennungsluft.

Abbildung 3.13.2 zeigt eine einfache Installation, die die Rückgewinnung der 117 kW Energie und 157 kg/h Wasser in Kesselqualität äußerst kostengünstig macht.

Erforderliche Ausrüstungsteile

• Absalzentspanner – Die Hersteller verfügen über entsprechende Auslegungstabellen für diese Behälter. Hinweis: Die Dampfgeschwindigkeit im oberen Teil des Behälters sollte 3 m/s nicht überschreiten.
  
  
• Kondensatableiter zur Entwässerung des Behälters – Ein Schwimmerableiter ist für diese Anwendung ideal, da er das restliche Absalzwasser ableitet, sobald es den Ableiter erreicht.
  Der Absalzentspanner arbeitet bei niedrigem Druck, so dass es praktisch keine Energie gibt, um die restliche Absalzmenge nach dem Kondensatableiter anzuheben, so dass diese über Schwerkraft durch den Ableiter und die Ablassleitung abfließen muss.
  
  Hinweis: Aufgrund des niedrigen Drucks wird der Ableiter ziemlich groß sein. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass er nicht durch die Feststoffe im restlichen Absalzwasser blockiert werden kann.
  
  Manchmal werden Schmutzfänger vor dem Kondensatableiter bevorzugt; für diese Anwendung sollte der Siebhaltestopfen mit einem Ablassventil ausgestattet sein, um die Wartung zu vereinfachen, und das Sieb sollte nicht zu fein sein.

• Vakuumbrecher – Es wird Zeiträume geben, in denen der Kessel nicht abgesalzt werden muss. In diesen Zeiten kondensiert jeglicher Dampf im Absalzentspanner und den zugehörigen Rohrleitungen, und es entsteht ein Vakuum. Wird dieses Vakuum nicht gebrochen, wird Wasser aus dem Kesselspeisewassertank in die Rohrleitung gesaugt. Wenn der Kessel wieder abgesalzt wird, wird dieses Wasser mit hoher Geschwindigkeit durch die Rohre gedrückt und es kommt zu einem Wasserschlag.
  
  Ein am Entgaserdom angebrachter Vakuumbrecher schützt vor diesem Problem.
   
• Ausrüstung zur Dampfverteilung – Die richtige Verteilung des Nachdampfs im Speisewasserbehälter ist sehr wichtig, um die Kondensation und Rückgewinnung von Wärme und Wasser zu gewährleisten. Zu den dafür erforderlichen Ausrüstungsteilen gehören in der Reihenfolge der Wirkungsweise:
  
  1. Druckloser Entgaser.
  2. Dampfverteiler.
  3. Sprühlanze.

Wärmerückgewinnung unter Verwendung von Wärmetauschern

Wärmerückgewinnung aus der restlichen Absalzung

Etwa 49% der Energie aus der Kesselabsalzung können durch den Einsatz eines Absalzentspanners und der dazugehörigen Ausrüstung zurückgewonnen werden; es besteht jedoch die Möglichkeit einer weiteren Wärmerückgewinnung aus der restlichen Absalzung selbst.

In Fortsetzung von Beispiel 3.13.3 bedeutet dies, dass wenn der Absalzentspanner mit einem Druck von 0,5 bar ü betrieben wird, die restliche Absalzung mit etwa 112 °C den Schwimmerableiter des Absalzentspanner durchströmt. Es kann weitere nutzbare Energie aus der restlichen Absalzung gewonnen werden, bevor sie in den Abfluss geleitet wird. Das gängige Verfahren besteht darin, es durch einen Wärmetauscher zu leiten und das Frischwasser auf dem Weg zum Speisewassertank zu erwärmen. Diese Vorgehensweise kühlt die restliche Absalzung typischerweise auf ca. 20 °C ab. Dieses System gewinnt nicht nur die Energie im Absalzabwasser zurück, sondern kühlt das Wasser auch, bevor es in die Kanalisation gelangt. (Die Temperatur, mit der Abwasser eingeleitet werden kann, ist in Großbritannien auf 42 °C begrenzt; andere Länder haben ähnlichen Einschränkungen.)

Beispiel 3.13.4 (Fortsetzung von Beispiel 3.13.3)

Auslegungsüberlegungen

Ein Problem mit der in Abbildung 3.13.3 dargestellten Anordnung besteht darin, dass der gleichzeitige Durchfluss von einströmendem Frischwasser und restlicher Absalzung aus dem Entspanner nicht immer gewährleistet ist.

Eine bessere Anordnung ist in Abbildung 3.13.4 dargestellt, wobei ein Kaltwasserpufferbehälter als Wärmesenke verwendet wird. Es wird ein Thermostat eingesetzt, um eine kleine Umwälzpumpe so zu steuern, dass bei einer ausreichend hohen Temperatur der restlichen Absalzung das Wasser durch den Wärmetauscher gepumpt wird, wodurch die durchschnittliche Tanktemperatur erhöht und Energie gespart wird.

Wenn die Temperatur des aus dem Wärmetauscher austretenden Absalzwassers über 43 °C liegen kann, sollte diese zu einem Abschlammbehälter und nicht direkt in Abwasserabfluss geleitet werden (siehe Modul 3.14).

Bevorzugte Art des Wärmetauschers

Für diese Anwendung werden Plattenwärmetauscher bevorzugt, da sie sehr kompakt und wartungsfreundlich sind.

Die Erfahrung zeigt, dass die höheren Geschwindigkeiten und Turbulenzen in Plattenwärmetauschern dazu beitragen, sie sauber zu halten, so dass eine Demontage selten erforderlich ist. Sollte jedoch eine Reinigung erforderlich sein, ist es relativ einfach, den Wärmetauscher zu öffnen und die Platten zu reinigen.

Die Reinigung eines Rohrbündelwärmetauschers ist komplexer und erfordert eine komplette Demontage, und oft können die Rohre selbst nicht zur Reinigung entfernt werden.

Wenn die Energie aus dem Nachdampf und dem Kondensat zurückgewonnen wird, werden 91% der gesamten in der ursprünglichen Absalzung enthaltenen Energie zurückgewonnen.

Darüber hinaus wurden 14% (Masse) des Wassers zurückgewonnen, was einen weiteren Beitrag zur Einsparung leistet.