Das Kesselhaus

Kesselauslegung

Aktuelle Dampfkessel sind deutlich kleiner als ihre Pendants vor etwa 30 Jahren. Diese Reduzierung der Kesselgröße wurde von den Anwendern gefordert, die verlangen, dass Kessel:

• Effizienter in Bezug auf den Brennstoffeinsatz und die Dampfleistung sind
• Besser auf Veränderungen des Bedarfs reagieren
• Kleiner und damit platzsparender sind
• Günstiger in der Anschaffung und Installation sind

Diese Ziele wurden zum Teil durch die heute ausgereiften Reglungen/Brenner erreicht, die schneller und genauer auf Bedarfsänderungen reagieren als in den vorangegangenen Jahren. Die Reaktionszeit eines Kessels auf Bedarfsänderungen wird aber auch durch Naturgesetze beeinflusst, z. B. wie viel Wasser erwärmt werden soll und welche Wärmeübertragungsfläche zur Verfügung steht, um diese Wärme von der Brennerflamme auf das Wasser zu übertragen.

Die Ansprechzeiten wurden dadurch verbessert, dass die Außenabmessungen des Kessels für eine bestimmte Leistung physisch reduziert wurden und der Innenraum mit möglichst vielen Rohren gefüllt wurde, um die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern. Das bedeutet, dass der moderne Kessel weniger Wasser enthält und die Wärmeübertragungsfläche pro kg Wasser größer ist. Betrachten wir einmal die folgende Ausgangslage:

1. Der Dampfbedarf der Anlage wird erhöht und der Druck im Kessel fällt auf den Sollwert der Brennerregelung
2. Die Brennerregelung spült die Brennkammer und der Brenner wird gezündet
3. Die große Wärmeübertragungsfläche und die geringere Wassermasse führen zu einer schnellen Verdampfung des Wassers im Kessel, um den Dampfbedarf zu decken

Wie in Modul 3.7, „Kesselarmaturen und Ausrüstungsteile“, beschrieben, ist die in einem Kessel gespeicherte Energie im Wasser enthalten, das auf Sättigungstemperatur gehalten wird. Je größer die Wassermenge in einem Kessel, desto größer ist die gespeicherte Energiemenge, die bei Bedarfs-/Laständerungen zur Verfügung steht.

Tabelle 3.22.1 vergleicht einen alten Lancashire-Kessel der 1950er Jahre mit einem modernen Kompaktkessel. Beachten Sie, dass der moderne Kompaktkessel nur 20 % des Wassers eines ähnlich dimensionierten Lancashire-Kessels enthält. Daraus folgt, dass die Energiereserve des modernen Kompaktkessels nur 20 % der Energiereserve des Lancashire-Kessels beträgt. Dies deutet darauf hin, dass der moderne Kompaktkessel mit Spitzenbelastungen nicht so zurechtkommen kann, wie es ein alter Lancashire-Kessel konnte. 

Beachten Sie in Tabelle 3.22.1 auch, dass sich die „Dampfabgabemenge“ von der Wasseroberfläche im Inneren des modernen Kompaktkessels um den Faktor 2,7 erhöht hat. Das bedeutet, dass der Dampf nur 1/2,7 (40 %) der bei einem Lancashire-Kessel verfügbaren Zeit hat, um sich vom Wasser zu trennen. In Spitzenlastzeiten kann dies bedeuten, dass Nassdampf aus dem modernen Kompaktkessel geleitet wird, und zwar möglicherweise mit einem niedrigeren Druck als dem, für den er konzipiert wurde – siehe auch in Modul 3.12, „Überwachung des Gesamtsalzgehaltes (TDS) im Kesselwasser“.

Das mit dem Dampf mitgerissene Wasser ist häufig verschmutzt (ca. 3 000 ppm TDS) und verunreinigt Regelventile und Wärmeübertragungsflächen. Es kann sogar kleinere Öffnungen in Druckmessgeräten, Kondensatableitern etc. verstopfen.

Spitzenlasten

Der Dampfbedarf einer Prozessanlage ist selten konstant, aber Größe und Art der Schwankungen hängen von der Anwendung und der Industrie ab. Spitzen können einmal pro Woche oder sogar einmal pro Tag während dem Anfahren auftreten.

Die größten Probleme, die durch Spitzenbelastungen entstehen, treten normalerweise in Industrien mit Chargenbetrieb auf:

• Brauereien
• Textilindustrie
• Chemische Reinigung
• Konservenherstellung
• Herstellung von Leichtbetonsteinen
• Spezialgebiete der Stahlindustrie
• Gummiindustrie mit großen Autoklaven

Bei diesen Prozessen können die Spitzen hoch und lang andauernd sein und in Bruchteilen einer Stunde gemessen werden.

Andersherum können Lastzyklen auch aus häufigen Spitzen von kurzer Dauer, aber mit sehr hohen, plötzlich auftretenden Durchsatzmengen bestehen:

• Strumpfwarenveredelung
• Gummiverarbeitung
• Kunststoff- und Polystyrolformgebung
• Dampfschälen
• Krankenhaus- und Industriesterilisation

Abbildung 3.22.1 zeigt, dass die einzelnen Lastspitzen jeweils fast unmittelbar auftreten und weit über der durchschnittlichen Last liegen. Die Folge einer plötzlichen Bedarfsanforderung an die Kesselanlage ist ein Druckabfall im Kessel, da der Kessel und die dazugehörige Verbrennungsanlage keinen Dampf in der Geschwindigkeit erzeugen können, mit der er abgezogen wird. 

Spitzenbelastungen und daraus resultierende Druckabfälle können schwerwiegende Folgen für die Produktion in der Anlage haben.

Im schlimmsten Fall kommt es zu einer „Verriegelung“ des Kessels, da sich der Wasserstand durch das schnelle Sieden erhöht und anschließend zusammenbricht. Dies wird von den Niveauregelung als Niedrigwasseralarm erkannt.

Im besten Fall ist der erzeugte Dampf nass und verunreinigt. Dies, verbunden mit einer Druckreduzierung, kann zu Folgendem führen:

• Erhöhte Prozesszeiten
• Eine Verringerung der Produktqualität oder gar Beschädigung oder Ausschuss des Produkts
• Wasserschläge in den Dampfleitungen, die zu einer Belastung der Rohrleitungen und Armaturen und zu einer möglichen Gefährdung von Personen führen können

In Kesselanlage sind Spitzenbelastungen verantwortlich für:

• Einen erhöhten Wartungsaufwand
• Reduzierte Lebensdauer des Kessels
• Reduzierter Brennstoffwirkungsgrad

Dies kommt daher, dass die Brenneranlage ständig von niedriger zu hoher Feuerung wechselt und sich in Zeiten sehr geringen Bedarfs sogar abschaltet, um dann einige Minuten später wieder zu feuern, mit allen damit verbundenen Vor- und Nachkühleffekten.

Es könnten mehrere oder überdimensionale Kessel eingesetzt werden, um Spitzenbedarfe (und die nachfolgenden Bedarfsrückgänge) zu bewältigen, was zwangsläufig zu niedrigen Wirkungsgraden führt.

Um diesen Punkt zu veranschaulichen, kann man davon ausgehen, dass:

• Bei einem durchschnittlichen Dampfkessel sind weniger als 1 % der Verluste auf die Wärmeabstrahlung über den Kesselmantel zurückzuführen (z. B. 1 % der maximalen Dauerleistung (MCR) des Kessels)
• Wenn ein Kessel dann 50 % seiner maximalen Dauerleistung produziert, betragen die Strahlungsverluste 2 % bezogen auf seine momentane Leistung
• Wenn ein Kessel dann 25 % seiner maximalen Dauerleistung produziert, betragen die Verluste 4 % bezogen auf seine momentane Leistung

Und so weiter, bis ein Kessel einfach auf Druck gehalten wird, ohne Dampf in die Anlage zu liefern. Zu diesem Punkt entsprechen 1 % der maximalen Dauerleistung einem 100 %-igen Verlust im Verhältnis zur Dampferzeugungsleistung.

Wenn die Kesselanlage für die Spitzenlasten ausgelegt wird, entstehen Probleme durch Überdimensionierung im Verhältnis zum durchschnittlichen Bedarf. In der Praxis kann sich ein Kessel in einer Zeit geringen Bedarfs abschalten. Kommt es dann zu einem plötzlichen Bedarfsanstieg und der Kessel feuert nicht, kann es zu einer Alarmsituation kommen.

Es ertönt ein Alarm, der Kessel kann verriegelt werden und die erneute Dampferzeugung dauert lange und ist aufwendig. Kurz gesagt, die Spitzen sind verantwortlich für:

• Produktionsausfall
• Geringere Produktqualität
• Erhöhte Prozesszeiten
• Schlechte Dampfqualität aus dem Kessel
• Geringer Brennstoffwirkungsgrad
• Hohe Wartungskosten
• Reduzierte Lebensdauer des Kessels

Verfahren zum Lastausgleich

Moderne Kessel sind bei richtiger Auslastung sehr effizient und reagieren schnell auf Laststeigerungen, sofern der Kessel feuert. Herkömmliche Großwasserraumkessel sind jedoch in der Regel nicht in der Lage, große Spitzenbedarfe zufriedenstellend zu decken, und sollten vor großen und schwankenden Lasten geschützt werden.

Es werden verschiedene Verfahren eingesetzt, um ein stabiles Lastverhalten zu erzeugen und damit die Kesselanlage vor den Auswirkungen großer und schwankender Lasten zu schützen. 

Technische Verfahren:

Es können Druckhalteventile (auch Überströmventile genannt) als Entlastungseinrichtung eingesetzt werden, indem nicht unbedingt notwendige Teile der Anlage abgekoppelt werden, und damit dem wesentlichen Anlagenteil Vorrang gegeben wird. Eine typische Anordnung ist in Abbildung 3.22.2 dargestellt. Der Erfolg dieses Verfahrens hängt wiederum von der Höhe der Spitze und der Annahme ab, dass der Kessel feuert, wenn die Spitzenlast entsteht.

Überströmventile können auch direkt am Kessel oder an der Dampfleitung zur Anlage montiert werden, wie in Abbildung 3.22.3 dargestellt.

Der Solldruck sollte:

• Geringer als der Regeldruck für “hohe Feuerung“ sein, um eine Beeinflussung der Überströmregelung durch die Brennersteuerung zu verhindern.
• Hoch genug sein, um den Druck im Kessel auf einem sicheren Niveau zu halten.

Bei der Auslegung des Überströmventils ist von einem minimalen Druckverlust auszugehen. Als allgemeiner Richtwert sollte ein Ventil in Leitungsgröße in Betracht gezogen werden.

Wasserstandsregelung mit zwei oder drei Elementen. Diese Maßnahme kann sinnvoll sein, solange die Lastspitzen nicht zu stark sind und der Kessel feuert, wenn sich Lastspitze auftritt; der Kessel muss zudem über eine ausreichende Kapazität verfügen.

Eine Zwei-Element-Regelung verwendet die Eingangssignale der Kesselwasserstandsregelung und des Dampfdurchsatzes, um das Speisewasserregelventil einzustellen.

Eine Drei-Element-Regelung nutzt die beiden obigen Elemente plus ein Signal von einem Speisewasserdurchflussmessgerät, um den einströmenden Speisewasserdurchsatz und nicht nur die Position des Speisewasserregelventils zu regeln. (Dieses dritte Element ist nur für Kessel geeignet, die eine modulierende Niveauregelung in Kesselhäusern mit Speisewasserringleitung verwenden.)

Beispiel 3.22.1

Ein Kessel hat eine „von und bei“-Leistung von 5000 kg/h.

Die Einstellwerte für hohen/niedrigen Feuerdruck betragen 11,3/12,0 bar ü bzw. 12,3/13,0 bar abs.

Die Einstellung des Überströmventils beträgt 11,0 bar ü (12,0 bar abs).

1. Ausgehend von einer Geschwindigkeit von ca. 25 m/s wird eine DN100-Dampfleitung gewählt.
2. Der K_vs-Wert eines Standard-DN100-Überströmventils beträgt 160 m³/h.
3. Mit der folgenden Massenstromgleichung für Sattdampf kann der Druck hinter dem Überströmventil (P₂) berechnet werden:

In diesem Beispiel ist der Kesseldruck für niedrige Feuerung mit 12 bar ü (13 bar abs) angegeben.

Aus Gleichung 3.21.2 lässt sich berechnen, dass der Druck nach dem vollständig geöffneten Überströmventil 11,89 bar ü (12,89 bar a) beträgt.

Der Druckabfall ist daher gering (0,11 bar) und wäre im Normalbetrieb nicht von Bedeutung. Fällt der Druck jedoch auf 11,0 bar ü, beginnt das Überströmventil zu schließen, um den Vordruck aufrechtzuerhalten.

Das Proportionalband am Regler sollte so schmal wie möglich eingestellt werden, ohne dass das Ventil anfängt zu schwingen.

Beide Einsatzverfahren von Überströmventilen können die Kesselanlage schützen, aber sie werden die grundlegende Anforderung, mehr Dampf für den Prozess zu erzeugen, nicht lösen. 

Managementverfahren

Dazu gehören beispielsweise ein zeitlich versetztes Anfahren von Prozessen, um Spitzenbelastungen so gering wie möglich zu halten. Diese Methode zum Glätten von Spitzen kann für die Kesselanlage von Vorteil sein, kann sich aber auch nachteilig und einschränkend auf die Produktion auswirken und eine ähnliche Wirkung wie ein Überströmventil haben.

Es ist jedoch nicht möglich, kurzfristige Spitzen mit reinen Managementverfahren auszugleichen. In einer Fertigungsanlage, in der es viele Einzelprozesse gibt, die solche Spitzen hervorrufen, ist es zwar möglich, dass dies eine nivellierende Wirkung auf die Last hat, aber es ist auch möglich, dass die Spitzen der vielen Einzelprozesse gleichzeitig ihren Höhepunkt erreichen und fatale Auswirkungen hervorrufen.

Wenn die oben genannten Verfahren nicht die erforderliche Stabilität des Bedarfs gewährleisten, kann es an der Zeit sein, über eine Methode zur Speicherung von Dampf nachzudenken.

Der Dampfspeicher

Das am besten geeignete Mittel, um sauberen Sattdampf unmittelbar bereitzustellen, um einen Spitzenbedarf zu decken, ist der Einsatz eines Verfahrens zur Dampfspeicherung, so dass er bei Bedarf „freigegesetzt“ werden kann. Die Speicherung von Dampf als druckbeaufschlagtes Gas ist aufgrund des enormen Speichervolumens bei normalen Kesseldrücken nicht sinnvoll.

Dies lässt sich am besten an einem Beispiel erklären: In dem später in diesem Modul verwendeten Beispiel wird ein Behälter mit einem Volumen von 52,4 m³ verwendet.

• Der Ladedruck beträgt 10 bar ü (spezifisches Volumen = 0,177 m³/kg)
• Der Entladedruck beträgt 5 bar ü (spezifisches Volumen = 0,315 m³/kg)

Basierend auf diesen Parametern ist die daraus resultierende Energie, die gespeichert und für die sofortige Freisetzung in die Anlage vorhanden ist, in 130 kg Dampf enthalten. Dies entspricht nur 5,2 % der gespeicherten und verfügbaren Energie im Vergleich zu einem wassergefüllten Speicher.

In der Praxis gibt es zwei Möglichkeiten, Dampf zu erzeugen:

• Durch Wärmezufuhr in kochendes Wasser, indirekt über ein Verbrennungsrohr und einen Brenner, wie bei einem herkömmlichen Kessel.
• Durch Druckreduzierung von Wasser, welches bei seiner Sättigungstemperatur gespeichert ist. Dies führt zu einem Energieüberschuss im Wasser, wodurch ein Teil des Wassers in Dampf umgewandelt wird.
  Dieses Phänomen wird als „Nachverdampfung“ bezeichnet, und das Bauteil zur Speicherung des Druckwassers wird Dampfspeicher genannt. Grundsätzlich gibt es zwei Systemtypen zur Dampfspeicherung: der Druckabfallspeicher und der Konstantdruckspeicher. Dieses Modul behandelt nur den ersten Typ.

Ein Dampfspeicher ist im Grunde genommen eine Erweiterung der Energiespeicherkapazität des Kessels/der Kessel. Wenn der Dampfbedarf der Anlage gering ist und der Kessel in der Lage ist, mehr Dampf als benötigt zu erzeugen, wird der überschüssige Dampf in eine unter Druck gespeicherte Wassermasse eingesprüht. Die Temperatur und der Druck der gespeicherten Wassermasse steigen über einen längeren Zeitraum an, bis schließlich die Sättigungstemperatur für den Druck, mit dem der Kessel arbeitet, erreicht wird. 

Der Dampfbedarf wird die Leistung des Kessels übersteigen, wenn:

• Eine Last schneller aufgebracht wird als der Kessel reagieren kann – beispielsweise kann der/die Brenner abgeschaltet sein und ein Spülzyklus muss abgeschlossen werden, bevor der Brenner wieder sicher gezündet werden kann. Dies kann bis zu 5 Minuten dauern und anstatt dem Kessel Wärme zuzuführen, hat der Spülzyklus tatsächlich eine leichte Kühlwirkung auf das Wasser im Kessel. Hinzu kommt, dass das Verdampfen des Kesselwassers zu einem Absinken des Wasserspiegels führt und die Kesselnievauregelung dies automatisch kompensiert, indem sie Speisewasser mit z. B. 90 °C zuführt. Dies kühl das Kesselwasser zusätzlich, das sich bereits auf Sättigungstemperatur befindet, und verschärft die Situation.
• Eine hohe Last steht über einen längeren als den normal üblichen Zeitraum an. In beiden Fällen führt dies zu einem Druckabfall im Inneren des Dampfspeichers, wodurch ein Teil des heißen Wassers zu Dampf wird. Die Menge an Wasser, die sich in Dampf umwandelt, ist eine Funktion des Speicherdrucks und der Menge an Dampf, die von dem zu versorgenden System benötigt wird.

Aufladung

Der Druckabfalldampfspeicher besteht aus einem zylindrischen Druckbehälter, der teilweise mit Wasser gefüllt ist, je nach Anwendung zwischen 50 % und 90 %. Der Dampf wird über einen Verteiler, der mit einer Reihe von Dampfinjektoren ausgestattet ist, unter der Wasseroberfläche eingeleitet, bis der gesamte Wasserinhalt den erforderlichen Druck und die erforderliche Temperatur erreicht hat.

Natürlich wird der Wasserstand während des Ladens und Entladens steigen und fallen.

Wenn der Dampfspeicher mit Sattdampf (oder Nassdampf) befüllt wird, kann es aufgrund der Strahlungsverluste über den Behälter zu einer geringen Wasserstandszunahme kommen. Normalerweise wird eine etwas größere Dampfmasse abgegeben als zugeführt wird.

Ein Kondensatableiter (Kugelschwimmerausführung) wird auf Höhe des Betriebsniveaus eingebaut und wirkt als Niveaubegrenzer, der die geringe, überschüssige Wassermenge an das Kondensatrückführsystem ableitet.

Würde der Dampfspeicher jedoch mit überhitztem Dampf befüllt werden oder wären die Strahlungsverluste sehr gering, würde es zu einem allmählichen Wasserverlust durch Verdampfung kommen und ein von der Niveauelektrode angesteuertes Speiseventil oder Pumpe wäre erforderlich, um das Defizit auszugleichen. 

Entladung

Da es in einem Dampfspeicher zu einem Druckabfall in dem bei Sättigungstemperatur gespeicherten Wasser kommt, wird Nachdampf in der Menge erzeugt, die für den Bedarf oberhalb der Kesselleistung erforderlich ist, und somit ist die Überlastbedingung abgedeckt. Wenn auf die Überlast ein Bedarf unterhalb der Kesselleistung folgt, wird der Dampfspeicher mit überschüssigem Dampf aus dem Kessel gefüllt. Dieser Lade- und Entladezyklus erklärt die Bezeichnung „Dampfspeicher“ und ermöglicht es dem Kessel, kontinuierlich bis zu seiner maximalen Dauerleistung zu feuern.

Der Lade-/Entladezyklus

Der Speicher muss zu Beginn seines Entladezykluses vollständig aufgeladen sein, damit er ordnungsgemäß funktioniert. Um dies zu ermöglichen, müssen zwei wesentliche Voraussetzungen erfüllt sein:

1. Vom Ende einer Überlastperiode bis zum Anfang der nächsten muss genügend Zeit zur Verfügung stehen, um das im Speicher vorhandene Wasser wieder aufzuladen.
2. Der durchschnittliche Dampfbedarf im Leerlauf muss geringer als die Kesselkapazität (maximale Dauerleistung oder MCR) sein, so dass genügend überschüssige Kesselkapazität zur Verfügung steht, um das im Speicher vorhandene Wasser außerhalb der Spitzenzeiten aufzuladen.

Daneben sind andere Kriterien ebenfalls von Bedeutung, um sicherzustellen, dass der Speicher über genügend Kapazität verfügt, und diese müssen durch die entsprechende Auslegung erfüllt werden:

1. Es muss genügend Wasser gespeichert sein, um die erforderliche Menge an Nachdampf während der Entladezeit bereitzustellen. Dies kann durch ein ausreichend großes Speichervolumen erreicht werden.
2. Zu hohe Mengen an freigesetztem Dampf erzeugen Nassdampf. Die Geschwindigkeit und die Durchsatzmenge, mit denen der Nachdampf von der Wasseroberfläche abgegeben wird, müssen unter einem vorgegebenen Wert liegen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Wasseroberfläche groß genug ist, was wiederum von der Speichergröße abhängt.
3. Die Verdampfungsleistung muss ausreichend sein. Dies hängt vom Druck ab, bei dem das Wasser bei voller Ladung gespeichert wird (Kesseldruck) und dem Mindestdruck, bei dem der Speicher am Ende der Entladezeit arbeitet (Entladedruck des Speichers). Je größer die Differenz zwischen diesen beiden Drücken ist, desto mehr Nachdampf wird erzeugt.
4. Der Auslegungsdruck des Speichers muss höher sein als der nachgeschaltete Verteilungsdruck. Dies ist notwendig, um eine Druckdifferenz über das nachgeschalteten Druckreduzierventil (DRV) zu erzeugen, und damit den erforderlichen Durchsatz vom Speicher zur Anlage zu ermöglichen. Je näher der Speicherdruck am Verteilungsdruck liegt, desto kleiner ist der Speicher, was aber auch zu einer geringeren Druckdifferenz über das DRV führt. Dadurch ist ein größeres DRV erforderlich; groß genug, um die höchste Überlastanforderung zu bewältigen, wenn der Speicher seinen Auslegungsdruck erreicht (der Mindestdruck im Speicher am Ende der Entladeperiode). 

Dimensionierung eines Dampfspeichers

Ein Dampfspeicher im Dampfsystem sorgt für eine erhöhte Speicherkapazität. Die richtige Auslegung des Dampfspeichers stellt sicher, dass alle Durchsätze bedient werden können. Es gibt keine theoretischen Grenzen für die Größe eines Dampfspeichers, aber natürlich werden praktische Erwägungen Einschränkungen mit sich bringen.

In der Praxis basiert das Volumen des Dampfspeichers auf dem Speicherbedarf, der benötigt wird, um einen Spitzenbedarf mit einem zulässigen Druckabfall zu decken und gleichzeitig sauberen trockenen Dampf mit einer geeigneten Dampfabgabegeschwindigkeit von der Wasseroberfläche zu liefern. Das folgende Beispiel 3.22.2 wird genutzt, um das Potenzial der Dampfleistung in einem horizontalen Dampfspeicher zu berechnen.

Beispiel 3.22.2

Kessel:

Maximale Dauerleistung = 5 000 kg/h 

Normaler Betriebsdruck = 10 bar ü (hf = 781 kJ/kg - aus der Dampftafel) 

Brenner-Schaltdifferenz = 1 bar (0,5 bar beidseitig von 10 bar ü)

Anlagenanforderungen:

Maximale plötzliche Überlast = 12 000 kg/h 

Verteilungsdruck = 5 bar ü 

Obwohl die maximale, plötzliche Überlast 12 000 kg/h beträgt, sollte zur Dimensionierung des Speichers der Mittelwert der Überlast verwendet werden. 

Dadurch wird eine unnötige Überdimensionierung des Speichers vermieden. Ebenso ist es notwendig, die mittlere „Schwachlast“ zu bestimmen und bei der Dimensionierungsberechnung zu verwenden. Unter Schwachlast versteht man jede Last unter der maximalen Dauerleistung (MCR) des Kessels.

Bestimmung des Mittelwerts der Überlast und der Schwachlast

Für die Ermittlung der mittleren Lasten für bestehende Kesselanlagen gibt es drei Möglichkeiten: 

1. Basierend auf Erfahrung zu schätzen.
2. Vorhandene Dampfleistungsdiagramme des Kessels heranziehen, um die mittleren Lasten und die Zeiträume, in denen sie auftreten, zu ermitteln.
3. Programmierung eines Dampfmengenmesscomputers, um die Dampfleistung während den Überlast- und Schwachlastperioden zu ermitteln.

Methode 1 könnte sich als etwas waghalsig erweisen, wenn sich der teure Dampfspeicher als zu klein erweist. 

Befindet sich die Kesselanlage jedoch noch in der Planungsphase, ist eine fundierte Schätzung die einzige Option. Ausgehend von den Kenntnissen des Planers über die Anlage sollte es möglich sein, eine vernünftige Schätzung der maximalen Anlagenlast, der Lastschwankungen und der Zeiten, in denen sie auftreten, vorzunehmen. 

Methode 2 ist recht einfach zu realisieren und sollte ein relativ genaues Ergebnis liefern. 

Methode 3 würde die genauesten Ergebnisse liefern, und die Kosten für den Dampfmengenmesser sind im Vergleich zu den Gesamtkosten eines Dampfspeicherprojekts gering. 

Das folgende Verfahren zeigt, wie man die mittleren Dampflasten aus einem bestehenden Diagramm bestimmt, welches das Lastmuster aufzeichnet. Das Verfahren basiert auf Abbildung 3.22.4, welche das Durchsatzverhalten für Beispiel 3.22.2 zeigt. 

Aus Abbildung 3.22.4 ist ersichtlich, dass die Schwachlasten in die nachfolgenden Mittellasten und Zeiträume aufgeteilt wurden. 

Aus diesen Daten kann die mittlere Überschussleistung für jede Schwachlastperiode ermittelt werden. Der mittlere Überschussmassenstrom wird wie folgt berechnet:

Zuerst muss der Auslegungsdruck des Speichers festgelegt werden, und es ist üblich einen Druck zu wählen, der 1 bar höher ist als der Verteilungsdruck. Dies ergibt eine ausreichende Nachdampfleistung, ohne den nachgeschalteten DRV unnötig überzudimensionieren.

In diesem Beispiel beträgt der Verteilungsdruck 5 bar ü, so dass der Speicherauslegungsdruck zunächst mit 6 bar ü angenommen werden kann (Hinweis: Die Wassermasse wird bei Kesselbetriebsdruck ermittelt). 

Aus diesen Informationen kann nun ein Speicher dimensioniert werden.

Dampfspeicher:

Beachten Sie, dass diese 2 797 kg Nachdampf in der Zeit, die für den Druckabfall benötigt wird, freigesetzt werden. Wenn dies eine Stunde gewesen ist, beträgt die Dampfmenge 2 797 kg/h; geschieht dies in 30 Minuten, dann wäre die Dampfmenge:

Wenn der Dampfspeicher an einen Kessel mit einer Nennleistung von 5 000 kg/h angeschlossen ist, und der durchschnittlichen Bedarf innerhalb seiner Leistungskapazität liegt, könnten die kombinierten Kessel- und Speicherleistungen 30 Minuten lang eine durchschnittliche Überlastleistung von 5 594 + 5 000 = 10 594 kg/h liefern. Die Alternative ist eine zusätzliche Zuschaltung von Kesseln, die in der Lage sind, 10 594 kg/h für 30 Minuten innerhalb der zuvor genannten Grenzen zu erzeugen. 

Es ist nun möglich, die Größe des Speichers zu überprüfen. 

Dabei werden die in Beispiel 3.22.2 verwendeten Zahlen zu Grunde gelegt, um die Überprüfung durchzuführen. 

Kessel

Maximale Dauerleistung = 5 000 kg/h 

Normaler Betriebsdruck = 10 bar ü

Anlagenanforderungen:

Die Wassermenge, die benötigt wird, um 2 650 kg Dampf freizusetzen, ist abhängig vom Anteil des durch den Druckabfall freigesetzten Nachdampfes. 

Damit wird die Voraussetzung erfüllt, genügend Wasser zu haben, um die erforderliche Menge an Nachdampf zu erzeugen. Es zeigt sich, dass die tatsächliche Speicherkapazität von 2 797 kg größer ist als die erforderliche Speicherkapazität von 2 650 kg Dampf. 

Wenn der Dampfspeicher vom Kessel mit 10 bar ü geladen wird und die Entnahme in die Anlage bei 6 bar ü erfolgt, kann der Nachdampfanteil wie folgt berechnet werden:

Der Wasserinhalt macht bei voller Ladung typischerweise nur 90 % des Volumens des Dampfspeichers aus:

Das Behältervolumen ist mit 87,9 m³ größer, so dass das Behälter diese Voraussetzung erfüllt. 

Unter Verwendung der zuvor angegebenen Behälterabmessungen beträgt die Wasseroberfläche bei voller Ladung ca. 20,53 m², bei einem Füllungsgrad von 90 % des Behältervolumens. Die maximale Dampfleistung aus dem Speicher ist mit 5 300 kg/h angegeben; daraus ergibt sich:

Empirische Testergebnisse zeigen, dass die Menge an trockenem Dampf, die von der Wasseroberfläche abgegeben werden kann, eine Funktion des Drucks ist. Eine praxisgerechte Annäherung schlägt Folgendes vor: 

Maximale Freisetzungsmenge ohne Wassermitriss (kg/m² h) = 220 x Druck (bar abs) 

Der Dampfspeicher in Beispiel 3.22.2 arbeitet mit 6 bar ü (7 bar abs). Die maximale Freisetzungsmenge ohne Wassermitriss beträgt: 

220 x 7 bar abs = 1 540 kg/m² h 

Dies wird in Abbildung 3.22.5 grafisch dargestellt. 

Das Beispiel liegt mit 258 kg/m² h deutlich unter dem Maximalwert und es kann mit trockenem Dampf gerechnet werden. Wäre die Dampffreisetzungsmenge zu hoch gewesen, müssten unterschiedliche Durchmesser und Längen bei gleichem Behältervolumen in Betracht gezogen werden.

Es muss betont werden, dass dies nur eine Empfehlung ist, und Konstruktionsdetails sollten immer spezialisierte Hersteller überlassen werden.

Regelung und Armaturen für Dampfspeicher

Im Folgenden finden Sie eine Übersicht über die für eine Dampfspeicheranlage erforderlichen Ausrüstungsteile, sowie einige Hinweise zur Dimensionierung und Auswahl der geeigneten Ausrüstungsteile.

Unter Verwendung der Werte aus Beispiel 3.22.2:

Kessel:

Maximale Dauerleistung = 5 000 kg/h

Normaler Betriebsdruck = 10 bar ü

Dampfspeicher:

Masse des für die Dampfspeicherung benötigten Wassers = 65 920 kg (voll geladen und 90 % des Behältervolumens)

P₁ (Kesseldruck) = 10 bar ü (voll geladen)

P₂ (Entladedruck) = 6 bar ü (voll entladen)

Anlagenanforderungen:

Druck = 5 bar ü

Größte mittlere Überlast = 10 300 kg/h für 30 Minuten alle 95 Minuten, wovon 5 000 kg/h vom Kessel geliefert werden.

Aus diesen Zahlen lässt sich ableiten, dass 65 920 kg Wasser in 95 Minuten von der Sättigungstemperatur bei 6 bar ü auf die Sättigungstemperatur bei 10 bar ü erwärmt werden müssen.

Rohrleitungen

Die Rohrleitung zwischen dem Kessel und dem Dampfspeicher sollte wie üblich auf eine Dampfgeschwindigkeit von 25 bis 30 m/s und die maximale Leistung des Kessels ausgelegt werden.

Im Falle von Beispiel 3.22.2 würde dies eine DN100 Rohrleitung vom Kessel zum Speicher erfordern, um die maximalen Dauerleistung (MCR) des Kessels von 5 000 kg/h bei 10 bar ü aufzunehmen.

Die Verrohrung vom Speicher zum nachgeschalteten DRV sollte auf die maximale plötzliche Überlast und eine Geschwindigkeit von nicht mehr als 20 m/s ausgelegt sein. Dazu wäre in diesem Beispiel ein Leitung in DN250 bei einem Speicherauslegungsdruck von 6 bar ü erforderlich.

Absperrventil

Zusätzlich zum Kesselabsperrventil ist ein Absperrventil in Leitungsnennweite erforderlich. Ein entsprechend ausgelegtes Absperrventil, vorzugsweise aus Stahlguss, wäre angebracht.

Rückschlagventil

Es ist ein Rückschlagventil in Leitungsgröße notwendig, um eine Rückströmung des Dampfes zurück zum Kessel zu verhindern, falls der Kessel absichtlich abgeschaltet wird oder wegen einer Störung gesperrt ist.

Ein Zwischenflansch-Rückschlagventil wäre eine geeignete Wahl.

Überströmventil

Das Überströmventil ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass die Dampfmenge, mit der der Dampf vom Kessel zum Speicher fließt, innerhalb der Leistung des Kessels liegt. Beispiel 3.22.1 zeigt, wie das Ventil zu dimensionieren ist.

Pilotgesteuerte Überströmventile ohne Hilfsenergie können in kleineren Anlagen verwendet werden, sofern das schmale (und nicht einstellbare) Proportionalband akzeptabel ist. Ein pneumatischer Regler mit einem pneumatischen Regelventil ist für größere Anlagen besser geeignet und bietet den Vorteil eines einstellbaren Proportionalbandes.

Für diese Anwendung wird ein pneumatisch betätigtes Regelventil in DN 100 mit entsprechenden Betriebs- und Absperreigenschaften gewählt. 

Ausrüstungsteile zur Dampfinjektion

Eine richtig dimensionierte Dampfeinlassleitung muss weit unterhalb des Wasserspiegels in ein Dampfverteilsystem, wie in Abbildung 3.22.6 dargestellt, eingeführt werden.

Der Dampf wird direkt in das Wasser injiziert.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Injektorleistung mit steigendem Druck im Behälter abnimmt, da der Differenzdruck zwischen dem eingespritzten Dampf und dem Behälterdruck niedriger wird.

Bei sehr niedrigen Durchflussmengen neigt der Dampf dazu, nur aus den Injektoren auszutreten, die der Dampfeinlassleitung am nächsten liegen.

Die Gestaltung der Einlassleitung(en) und des Verteilersystems sowie die Anordnung der Injektoren müssen eine gleichmäßige Dampfinjektion über die gesamte Länge des Speichers, unabhängig vom tatsächlichen Dampfdurchsatz, gewährleisten.

Der Austrag aus den Injektoren besteht aus sehr heißem Wasser und Dampf, möglicherweise mit einigen kondensierenden Dampfblasen, mit sehr hoher Geschwindigkeit, was Turbulenzen erzeugt und die Wassermasse vermischt. Sie sollten nicht direkt gegen oder in der Nähe der Wände des Behälters blasen. Eine abgewinkelte Installation kann daher sinnvoll sein. Im Idealfall sollten sie auch in verschiedene Richtungen geneigt sein, um eine gleichmäßigere Vermischung zu ermöglichen.

Eine typische Installation ist in Abbildung 3.22.6 dargestellt.

In sehr langen Behältern kann eine gleichmäßigere Verteilung dadurch erreicht werden, dass zwei oder mehr Einlassleitungen eingesetzt werden. In solchen Fällen ist es sehr wichtig, dass die Einlassleitungen zweckmäßig an die Hauptversorgungsleitung angeschlossen werden.

Alle Injektoren sollten so tief wie möglich in den Speicher eingebaut sein, um eine maximal mögliche Flüssigkeitssäule über ihnen zu gewährleisten. Es kann auch angebracht sein, die Injektoren in einem leichten Winkel zu installieren, um Erosion am Behälter zu vermeiden.

Die Dimensionierungstabellen der Hersteller geben den K_VS-Wert der Dampfinjektoren an (siehe Tabelle 3.22.2)

Unter Verwendung der Daten aus Tabelle 3.22.2 und unter Bezugnahme auf Abbildung 3.22.8, einen Auszug aus dem K_vs-Diagramm für Sattdampf, Abbildung 3.22.9:

1. Ziehen Sie eine horizontale Linie von der x-Achse bei 11 bar abs (10 bar ü) nach rechts, bis sie die kritische Druckverlustlinie, Punkt (A) schneidet.
2. Ziehen Sie eine vertikale Linie vom Punkt (A) nach unten, bis sie den K_VS Wert des Injektors, Punkt (B) schneidet, (zum Beispiel K_VS 5,8 für einen IM25M-Injektor).
3. Ziehen Sie eine horizontale Linie nach links, bis sie die y-Achse am Punkt (C) schneidet. Der angezeigte Wert ist die Leistung des Injektors.

(In diesem Beispiel ca. 760 kg/h).

Der Durchsatz kann auch unter Verwendung der Gleichung 3.21.2 berechnet werden:

Dimensionierung und Auswahl der Injektoren

Das obige Beispiel ergibt eine Kapazität von 760 kg/h für einen Injektor; dies bezieht sich jedoch nur auf den Beginn der Ladezeit, wenn der Behälterdruck am niedrigsten und die Injektorleistung am höchsten ist. 

Es ist zu beachten, dass bei zunehmender Dampfinjektion in den Behälter der Behälterdruck ansteigt und somit die Leistung der Injektoren reduziert wird, bis der Behälterdruck schließlich eventuell mit dem Kesseldruck übereinstimmt und kein Durchsatz mehr stattfindet. 

Aus diesem Grund ist es nicht sinnvoll, den einen (höchsten) Durchsatz, in diesem Beispiel 760 kg/h, zu verwenden. 

Stattdessen ist es notwendig, die mittlere Einspritzmenge über die Ladezeit zu ermitteln. Dies kann durch die Verwendung von Gleichung 3.21.2 zur Berechnung des Durchsatzes bei unterschiedlichen Behälterdrücken erreicht werden. (Das Spirax Sarco Engineering Support Centre verfügt über ein Ventil-Dimensionierungsprogramm, mit dem die Injektorleistungen einfach aus den K_v Werten berechnet werden können – siehe Ressources and Design Tools)

In diesem Beispiel variiert der Behälterdruck zwischen 6 bar ü und 10 bar ü. Je größer die Anzahl der ermittelten Drücke, desto größer ist die Genauigkeit, aber im Allgemeinen ergeben Schritte von 10 % der Differenz zwischen Kessel- und Speicherdruck einen zuverlässigen Mittelwert. Tabelle 3.22.3 zeigt die Berechnung für einen IN25-Injektor (1") mit einem Kv Wert von 5,8.

Der Gesamtdurchsatz von 6 076 kg/h wird durch die Anzahl der Schritte dividiert. Es ist zu beachten, dass auch der Schritt für den Wert Null berücksichtigt wird; daher sind elf Schritte zu berücksichtigen.

Es zeigt sich, dass der mittlere Durchsatz von 553 kg/h etwas geringer ist als die maximale Leistung von 759 kg/h. Würde die maximale Leistung zur Quantifizierung der Anzahl der Injektoren genutzt, würden nicht genügend Injektoren gewählt werden.

Die Anzahl der benötigten Injektoren kann durch Division des Dampfdurchsatzes durch die Menge, die ein einzelner Injektor liefern kann, bestimmt werden.

Hinweis: Eine Reihe kleinerer Injektoren wäre einem großen Injektor vorzuziehen, um eine gute Durchmischung innerhalb des Dampfspeichers zu gewährleisten. 

Dieses Auslegungsdiagramm ist empirisch ermittelt und sollte nicht für kritische Anwendungen verwendet werden.

Berechnung der erforderlichen Aufladezeit des Speichers

Aus den in Abbildung 3.22.4 dargestellten Lastverläufen geht hervor, dass die Mindestzeit zwischen den Ladezyklen 95 Minuten beträgt. Es muss nun geprüft werden, ob der Speicher in einer kürzeren Zeit wieder aufgeladen werden kann.

Es wurde gezeigt, dass die während der Entladezeit entnommene Dampfmenge 2 650 kg beträgt.

Der mittlere überschüssige Dampfdurchsatz während der Ladezeit wurde aus Abbildung 3.22.4 mit 2 916 kg/h berechnet.

Die für die Nachladung benötigte Zeit ist proportional zum Verhältnis der während der Entladung verbrauchten Dampfmenge zur Menge des überschüssigen Dampfes in der Schwachlastperiode:

Da die erforderliche Ladezeit kürzer ist als die Zeit zwischen der kürzesten Überlastperiode von 95 Minuten, kann die Differenz zwischen Überlastzeit und Ladezeit durch den Speicher ausgeglichen werden.

Daher bietet die Speichergröße von 7 Metern Länge und 4 Metern Durchmesser genügend Kapazität für dieses spezielle Beispiel.

Manometer

Zur Anzeige des Drucks im Dampfspeicher ist ein geeignetes Manometer erforderlich.

Im Idealfall sollte es Markierungen für folgende Anzeigen haben:

• Minimaldruck (Dampfdruck der Anlage)
• Maximaldruck (Dampfdruck des Kessels)
• Maximaler Betriebsdruck des Speichers

Sicherheitsventil

Wenn der maximale Betriebsdruck des Speichers gleich oder größer ist als der des Kessels, ist möglicherweise kein Sicherheitsventil erforderlich.

Der Betreiber könnte jedoch über andere, weniger offensichtliche Szenarien besorgt sein. So kann beispielsweise im Falle eines Brands in der Anlage, wenn der Speicher voll geladen und alle Ein- und Ausgänge geschlossen sind, der Druck im Speicher steigen. Ein Gespräch mit einem Versicherungsinspektor wäre unerlässlich, bevor eine Entscheidung getroffen wird.

Wie bei allen Sicherheitsventilinstallationen sollte der Austritt in einen sicheren Bereich durch eine ausreichend dimensionierte Abblaseleitung erfolgen, die fachgerecht entwässert ist. 

Entlüfter und Vakuumbrecher

Wenn der Dampfspeicher aus dem kalten Zustand angefahren wird, dann ist der Dampfraum mit Luft gefüllt. Diese Luft hat keinen Heizwert, sie beeinträchtigt sogar die Leistung der Dampfanlage (wie bereits an Hand des Daltonschen Gesetzes gezeigt) und blockiert auch Wärmeübertragungsflächen. Die Luft führt auch zu einem Anstieg von Korrosion im Kondensatsystem.

Die Luft kann mit einem einfachen Hahn abgelassen werden, der normalerweise offen bleibt, bis der Dampfspeicher mit einem Druck von etwa 0,5 bar ü beaufschlagt ist. Eine Alternative zu einem Kugelhahn ist ein Kapsel-Entlüfter, welcher den Kesselwärter nicht nur von der Aufgabe der manuellen Entlüftung entbindet (und damit sicherstellt, dass diese auch korrekt ausgeführt wurde), er ist auch viel genauer und lässt andere Gase ab, welche sich im Speicher angesammelt haben könnten.

Umgekehrt kondensiert der Dampf im Dampfraum, wenn der Dampfspeicher vom Netz genommen wird, und es entsteht ein Vakuum. Dieses Vakuum bewirkt, dass von außen Druck auf den Behälter ausgeübt wird und das kann dazu führen, dass durch Inspektionsöffnungen Luft eintritt. Ein Vakuumbrecher verhindert diese Situation.

Entleerungskugelhahn

Dieses Ventil wird zur Entleerung des Behälters für Wartungs- und Inspektionsarbeiten verwendet.

Ein DN40 Ventil wäre für die Größe des Speichers in Beispiel 3.22.2 geeignet.

Überlauf

Ein Kugelschwimmerableiter mit integriertem thermostatischem Entlüfter muss wie in Abbildung 3.22.10 dargestellt eingebaut werden. Bei gezeigter Installation steigt der Wasserstand im Inneren des Speichers nicht über diesen Punkt hinaus, da der Ableiter wie ein automatisches Überlaufventil arbeitet. Wenn der Wasserstand sinkt, d. h. wenn der Dampf schneller abgezogen als ersetzt wird, schließt der Ableiter automatisch, um das Austreten von Dampf zu verhindern.

Der Einsatz eines Schwimmerableiters mit integrierter thermostatischer Kapsel als Niveaubegrenzungseinrichtung bietet den zusätzlichen Vorteil der Entlüftung.

Der Ableiter sollte in der Nähe des Schauglases installiert werden. Der Austritt des Ableiters ist zurück zum Kesselspeisewassertank zu leiten, wobei darauf zu achten ist, dass kein übermäßiger Gegendruck oder Förderhöhe ansteht.

Die Größe des Schwimmerableiters mit automatischem Entlüfter variiert je nach Größe des Speichers und wäre typischerweise die Größe DN 40 oder DN 50 für Beispiel 3.22.2.

Wasserstandsanzeiger

Die Pegelschwankungen im Dampfspeicher werden nicht groß sein, da nur (ungefähr) 5 % der Wassermasse in Dampf übergehen, aber eine Möglichkeit zur Überwachung des Wasserspiegels ist dennoch unerlässlich. Natürlich sollte der Anzeiger so ausgelegt sein, dass er beim maximalen Betriebsdruck des Dampfspeichers betrieben werden kann. Aus Sicht der Lagerhaltung und der Werksnormung ist es jedoch sinnvoll, einen Anzeiger zu verwenden, der dem des Kessel entspricht.

Es ist nur ein einziger Anzeiger erforderlich.

Druckreduzierstation

Auf der Entnahmeseite wird eine Druckreduzierstation installiert. Wenn sich das Druckreduzierventil öffnet, um den Minderdruck aufrechtzuerhalten, kommt es im Dampfspeicher zu einem Druckabfall, wodurch ein Teil des Wassers nachverdampft wird.

Der Druckreduzierventil sollte auf Basis der folgenden Daten bemessen werden:

P₁ = Speicherdruck (6 bar ü aus dem Beispiel)

P₂ = Anlagendruck (5 bar ü aus dem Beispiel)

∆P = 6 - 5 = 1 bar

Durchsatzmenge = maximaler Durchsatz bei Überlast (12 000 kg/h aus dem Beispiel)

Ein geeignetes Ventil kann nun entweder aus den Auslegungstabellen eines Herstellers oder mit Hilfe des Auslegungsdiagramms (K_vs-Diagramm) für Sattdampf in Bild 3.22.9 ausgewählt werden.

Bis Nennweite DN 80 wäre ein pilotgesteuertes Ventil ohne Hilfsenergie geeignet, während bei größeren Nennweiten ein pneumatisch betätigtes Regelventil zu empfehlen ist.

Rohrleitungen

An dieser Stelle sollte geprüft werden, ob die Rohrleitungen zwischen der Druckreduzierstation des Dampfspeichers und der Anlage ausreichend dimensioniert sind. Diese Leitung sollte wie üblich für eine Dampfgeschwindigkeit von 25 bis 30 m/s ausgelegt werden, jedoch unter Verwendung des Spitzendurchsatzes aus dem Dampfspeicher bei Anlagendruck, in diesem Fall 5 bar ü.

Typische Anlagenanordnungen von Dampfspeichern:

Abbildung 3.22.11 zeigt, dass der gesamten Dampf, der von der Kesselanlage erzeugt wird, durch den Dampfspeicher geleitet wird. Dies ist die modernere, allgemein bevorzugte Anordnung.

Die in Abbildung 3.22.12 dargestellte Anordnung wurde in der Vergangenheit häufiger verwendet und ist immer noch hilfreich, wenn der Dampfspeicher in einiger Entfernung von der Hauptdampfleitung platziert werden muss. Die Rückschlagventile sollten jedoch regelmäßig überprüft werden, da eine Kombination aus „klebenden“ und „durchlassenden“ Ventilen dazu führen kann, dass Dampf über der Wasseroberfläche in den Dampfspeicher geleitet wird, was nutzlos ist.

Abbildung 3.22.13 zeigt eine Anordnung, bei der sowohl Dampf bei Kesseldruck als auch bei einem niedrigeren Druck erforderlich ist.

Einige Prozessanwendungen vertragen keinen Niederdruckdampf, und es ist immer Dampf mit Kesseldruck erforderlich (typischerweise für einen Trocknungsprozess). Wenn eine Spitzenlast durch die Hochdruckverbraucher verursacht wird, würde das Überströmventil in Abbildung 3.22.13 einen Druckabfall erfassen und schließen, wodurch die Hochdruckverbraucher bevorzugt mit Hochdruckdampf versorgt werden, so dass der Dampfspeicher den Niederdruckbedarf während dieser Zeit liefert. Auf diese Weise deckt das System über den Dampfspeicher die schwankende Niederdrucklast ab, und der maximal mögliche Durchsatz für die Hochdrucklast wird durch die Wirkungsweise des Überströmventils sichergestellt.

In Abbildung 3.22.14 erzeugt der Kessel Dampf mit seinem normalen Auslegungsdruck, z. B. 10 bar ü, und der Dampf strömt zu unterschiedlichen Verbrauchern, die nicht mehr als beispielsweise 5 bar ü benötigen. Das Druckreduzierventil A mindert den Druck zwischen dem Kessel und der Hauptverteilleitung in der Anlage und reagiert damit auf den in der 5 bar Leitung gemessenen Druck.

Wenn dieser Dampfbedarf die Leistung des Kessel übersteigt und der Druck in der Niederdruckleitung unter z. B. 4,8 bar fällt, beginnt das Ventil B zu öffnen und ergänzt die Versorgung. Dadurch wird Dampf aus dem Dampfspeicher abgezogen und nach einem längeren Zeitraum sinkt der Druck des Dampfspeichers. Ventil B reagiert auf den Minderdruck in der Verteilleitung und wirkt somit auch als Druckminderer. Seine Durchsatzleistung sollte der für den Dampfspeicher zulässigen Entladeleistung entsprechen, und es wird damit kleiner als das Druckreduzierventil A sein.

Ventil C ist ein Überströmventil, das auf den Kesseldruck reagiert. Steigt der Druck aufgrund des reduzierten Bedarfs der Anlage, öffnet das Überströmventil C. Der Dampf wird dann in den Dampfspeicher geleitet, der wieder auf seinem Maximaldruck, der etwas unter dem Kesseldruck liegt, aufgeladen wird. Das Druckreduzierventil B wird zu diesem Zeitpunkt geschlossen, da die Anlage über das (teilweise geschlossene) Druckreduzierventil A ausreichend Dampf erhält.

Praktische Hinweise für Dampfspeicher

Umgehungsleitungen

In jeder Anlage muss die technische Leitung bestrebt sein, wenigsten eine minimale Versorgung sicherzustellen, falls der Dampfspeicher und die dazugehörige Ausrüstung entweder gewartet werden oder ausgefallen sind.

Dazu gehört die angemessene und sichere Absperrung des Speichers über Ventile und Vorkehrungen zum Schutz des Kessels vor Überlastung, wenn große Bedarfsschwankungen nicht vermieden werden können. Hierfür ist ein Überströmventil im Stand-by-Modus die einfachste Lösung.

Auswirkungen auf die Kesselbrennerleistung

Der Dampfspeicher und das Überströmventil schützen den Kessel vor Überlastungen und ermöglichen einen ordnungsgemäßen Betrieb des Kessels bis zu seiner Auslegungsgrenze. Dies ist wichtig, um gute Wirkungsgrade zu erreichen und gleichzeitig sauberen, trockenen und gesättigten Dampf zu liefern. Die Abbildungen 3.22.16 und 3.22.17 zeigen jeweils die Brennerleistung ohne Dampfspeicher und die Brennerleistung mit Dampfspeicher.

Dampfqualität

Bei richtiger Auslegung und Betrieb ist Dampf aus einem Dampfspeicher immer sauber und hat einen Trockengehalt von nahezu 1. Der Dampfspeicher wird mit einer großen Wasseroberfläche und ausreichendem Dampfraum ausgelegt, um in Spitzenzeiten nahezu verzögerungsfrei hochwertigen Dampf zu liefern. Bei vertikalen Dampfspeichern wird der Dampfraum vergrößert, um die kleinere Wasseroberfläche auszugleichen.

Wasser

Das Wasser im Dampfspeicher ist kondensierter, also sauberer und reiner Dampf, mit einem typischen TDS-Wert von 20 - 100 ppm (im Vergleich zu einem Großwasserraumkessel mit selten weniger als 2 000 ppm), was eine saubere und vergleichsweise stabile Wasseroberfläche begünstigt. Dampfspeicher werden manchmal dazu verwendet, sicherzustellen, dass sauberer Dampf dort bereitgestellt wird, wo der Dampf in direktem Kontakt mit dem Produkt steht, wie bei Krankenhaus- und Industriesterilisatoren, in der Textilveredelung und bei bestimmten Anwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie.

Nachdem der Speicher mit Wasser befüllt wurde und unter normalen Betriebsbedingungen läuft, sind die Wasserzugaben und Überlaufmengen sehr gering.

• Bei Verwendung von überhitztem Dampf steht die zuzuführende Wassermenge in Relation mit dem Grad der Überhitzung, aber da die spezifische Wärme von überhitztem Dampf niedriger ist als die des Wasser, hat sie einen geringeren Einfluss auf Änderungen des Wasserspiegels.
• Bei Verwendung von Sattdampf ist die Erhöhung des Wasserspiegels lediglich eine Funktion des Wärmeverlustes über den Behälter. Bei entsprechender Isolierung ist der Wärmeverlust minimal, so dass auch der Anstieg des Wasserspiegels und damit der Überlauf durch den Kondensatableiter (als Niveaubegrenzungseinrichtung) sehr gering ist.

Dampfspeicherausführungen

Die in diesem Modul beschriebenen und veranschaulichten Dampfspeicher waren groß und horizontal aufgebaut. Dampfspeicher werden immer anwendungsspezifisch konstruiert und gefertigt, und Behälter mit nur 1 m Durchmesser sind keine Seltenheit. Es ist auch üblich, dass die kleineren Dampfspeicher eine vertikale Ausführung aufweisen (obwohl es auch große vertikale Dampfspeicher gibt). Beide Ausführungen können die gleichen Werte für Speicher- und Entladeleistung aufweisen und es kann einfacher sein, Platz für eine vertikale Bauform zu finden.

Der Speicherbehälter 

Dies ist in der Regel der teuerste Teil eines Dampfspeichersystems und er wird für jede Anwendung individuell ausgelegt. Er muss so konzipiert sein, dass er das Wasser und den Dampf auf den für die Anlage erforderlichen Temperaturen halten kann. Für Industrieanlagen bedeutet dies typischerweise Drücke zwischen 5 und 30 bar, wobei Kraftwerksanlagen bis auf 150 bar ausgelegt sein können.

Typischerweise liegt das Verhältnis von Durchmesser zu Gesamtlänge zwischen 1,4 und 1,6, kann aber je nach Standortbedingungen stark variieren.

Dampfspeicher haben im Allgemeinen eine zylindrische Form mit elliptischen Enden, da dies in Bezug auf die Festigkeit die effektivste Bauform ist. Sie werden normalerweise aus Kesselblech gefertigt. Die Auslegung und Konstruktion muss in Europa der europäischen Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU (früher 97/23/EG) entsprechen.

Je größer die zulässige Druckdifferenz zwischen dem Kesseldruck und dem Anlagendruck ist, desto größer ist der Anteil an Nachdampf und desto geringer ist die erforderliche Frischdampfleistung.

Zusätzlich zur Speicherkapazität muss der Speicherbehälter

• Ausreichend Wasser am Boden des Behälters unter Minimalbedingungen haben, um die Dampfinjektoren aufzunehmen und mit Wasser abzudecken.
• Genügend Freiraum über dem Wasser im voll geladenen Zustand haben, um eine ausreichende Oberfläche für die Dampfabgabe zu erzeugen. Dies ist wichtig, da nur die aktuelle Dampfabgabegeschwindigkeit das entscheidende Kriterium sein könnte, wenn die Spitzenlasten hoch und abrupt sind. 

Rechtfertigung der Kosten eines Dampfspeichers

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Investitionskosten einer Speicheranlage zu begründen, denn sie amortisieren sich oft in kurzer Zeit. Die folgenden Punkte sollten bei einer ersten Analyse berücksichtigt werden.

• Vergleichen Sie die Investitionskosten für eine einzelne Kesselanlage, um den Spitzenbedarf zu decken, mit denen eines kleineren Kessels, der in Verbindung mit einem Dampfspeicher betrieben wird.
• Schätzen Sie die Brennstoffeinsparungen durch einen kleineren Kessel ab, der näher an seiner maximalen Leistung und bei einer gleichmäßigeren Last betrieben wird. In einer aktuellen Fallstudie berechnete eine Brauerei eine Brennstoffeinsparung von 10 % und eine Amortisationszeit von ca. 18 Monaten.
• Sie sollten ermitteln, ob die Brennstoffkosten durch den Ausgleich der Spitzen und Tiefen der Dampferzeugung geringer werden. Es ist dann vielleicht möglich, eine niedrigere maximale Versorgungsleistung zu vereinbaren.
• Schätzen Sie den finanziellen Vorteil einer reduzierten Wartung der Kesselanlage, der Dampfregelventile und der Dampfverbraucher ab. Diese Vorteile ergeben sich aus einer gleichmäßigeren Kessellast und einer besseren Dampfqualität.

Zusammenfassung

Dampfspeicher sind keine altmodischen Relikte aus der Vergangenheit. In der Tat, weit gefehlt. Dampfspeicher werden in der gesamten modernen Industrie installiert, beispielsweise im Bereich der Biotechnologie, Krankenhaus- und Industriesterilisation, bei Produktprüfständen, Druckereien und in der Lebensmittelherstellung, sowie in traditionelleren Industrien wie Brauereien und Färbereien.

Moderne Kessel sind kleiner geworden und es gibt auch einen zunehmenden Einsatz von kleinen Wasserrohrkesseln und Schnelldampferzeugern, die zwar alle effizient sind, aber gleichzeitig eine geringere thermische Leistung haben, was sie damit anfällig für Problem bei Spitzenlasten macht.

Es gibt viele weitere Anwendungen für Dampfspeicher. Für lang anhaltende Spitzen, die die Kesselanlage letztendlich bewältigen muss, kann ein Dampfspeicher eingesetzt werden, um beispielsweise 5 Minuten des Spitzendurchsatzes zu speichern, so dass die Kesselanlage die entsprechende Leistung sicher erreichen kann. Dampfspeicher können auch mit über Elektroden oder Heizpatronen betriebenen Kesseln eingesetzt werden, so dass Dampf außerhalb der Spitzenzeiten erzeugt, gespeichert und während der Spitzenzeiten genutzt werden kann. Die Möglichkeiten sind endlos.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Dampfspeicher ein effizientes Werkzeug ist, da er die möglicherweise kostengünstigste Art der Dampfversorgung eines Chargenprozesses bietet.