Grundlagen der Dampf- und Kondensattechnologie
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Grundlagen des Einsatzes von Wärmetauschern in Dampfanlagen Grundlagen des Einsatzes von Wärmetauschern in Dampfanlagen Vorwort Wärme ist eine der Energieformen, die wir Menschen sehr schnell erkennen: Es ist uns kalt oder warm, wir frieren oder wir verbrennen uns die Finger. Wärme ist zu transportieren, umzuformen und zu verwenden – im kleinen Maßstab von wenigen kW bis hin zu großen Anwendungen im Megawatt-Bereich. Das zentrale Gerät in allen Wärmeanwendungen ist der Wärmetauscher, um den sich in diesem Buch alles dreht. Vor allem der dampfbeheizte Wärmetauscher ist unser Anliegen, auch wenn die Grundlagen, die wir erklären, für alle anderen Medien genauso gültig sind. Wir wollen anderen Grundlagenwerken – wie den verschiedenen Lehrbüchern der Thermodynamik oder dem VDI-Wärmeatlas – keine Konkurrenz machen, sondern den Bezug zur Dampftechnik herstellen. Spirax Sarco ist weltweit einer der größten Hersteller von dampfbetriebenen Wärmeübertragersystemen. Und die Erfahrungen, die wir bei unserer Arbeit gesammelt haben, geben wir gerne an Sie weiter. Bevor Sie mit dem Lesen starten, ein paar kurze Vorbemerkungen: Uns ist die gute Lesbarkeit dieses Buches sehr wichtig. Ohne technisch unkorrekt zu werden, verwenden wir bewusst die üblichen umgangssprachlichen Begriffe wie Wärmetauscher (richtig heißt es ja: Wärmeübertrager) und Regelventil (anstelle Stellventil), eben so, wie Sie als Leser das normalerweise tagtäglich tun. Die genormten Begriffe finden Sie im Anhang des Buches. Wenn wir vom Druck sprechen, ist normalerweise der Überdruck (barü) gemeint – d.h. der Druck, der auch am Manometer der Anlage abgelesen wird. Auch bei der Temperatur erlauben wir uns die Freiheit, in einzelnen Fällen °C zu schreiben, wobei doch Temperaturdifferenzen in Kelvin anzugeben wären. Die Wärmetechnik ist ein interessantes Arbeitsgebiet und bietet viele Entdeckungen. Aber nicht nur die pure Technik bestimmt dieses Buch. Wir wünschen uns sehr, dass Ihnen das Lesen sowohl Fachinformationen bietet, als auch Freude macht. Für Verbesserungsvorschläge sind wir dankbar. Klaus Rümler, Jörg Hilpisch Spirax Sarco, 2009 Weitere Dokumentationen von Spirax Sarco: • • • • Leitfaden für die Praxis Arbeitsblätter (Auslegungsdiagramme) für die Dampf- und Kondensattechnologie Grundlagen der Dampf- und Kondensattechnologie Grundlagen für Wartung und Betrieb von Dampfanlagen Bestellungen über [email protected] © „Grundlagen des Einsatzes von Wärmetauschern in Dampfanlagen“ der SPIRAX SARCO GmbH Konstanz. Nachdruck, auch auszugsweise, Kopie, Vervielfältigung und Verbreitung gleich welcher Art nur nach ausdrücklicher Genehmigung von SPIRAX SARCO. Schutzgebühr: 15,00 Euro | Spirax Sarco 1. 1.1 Inhaltsverzeichnis Warm, wärmer, am wärmsten Die alten Germanen �������������������������������������������������� 4 2. Die „Physik“ der Wärme�������������������������������� 7 2.1 Die Hauptsätze der Thermodynamik�����������������������7 2.2 Die Wärmedurchgangsformel�����������������������������������7 2.3 Der Wärmedurchgangskoeffizient k������������������������ 9 2.4 Die Temperaturdifferenz ∆T������������������������������������ 9 2.5 Strömung und Druckverluste ���������������������������������10 2.5.1Der Mengenstrom und die Kontinuitätsgleichung �������������������������������������������������������������������10 2.5.2 Druckverlustberechnung�����������������������������������������10 2.5.3 Der Energiebedarf����������������������������������������������������� 11 3. Dampfbetriebene Wärmetauscher ������������ 12 3.1 Begriffe, Definitionen, Normen�������������������������������12 3.1.1 Primär und Sekundär�����������������������������������������������12 3.1.2 Vorlauf und Rücklauf�����������������������������������������������12 3.1.3 Normenbegriffe���������������������������������������������������������12 3.2 Die besonderen Eigenschaften von Dampf �����������13 3.2.1 Warum Sattdampf?���������������������������������������������������13 3.2.2 Druck und Temperatur���������������������������������������������13 3.2.3 Die Entwässerung�����������������������������������������������������14 3.2.4 Kondensationsart: Lieber stehen oder liegen? �����15 3.2.5 Nicht-kondensierbare Gase������������������������������������� 17 3.3 Zwei Arten der Regelung ����������������������������������������� 17 3.3.1 Dampfseitige Regelung��������������������������������������������� 17 3.3.1.1 Sicherheitstemperaturregelung�������������������������������21 3.3.1.2 Kondensatrückstau���������������������������������������������������21 3.3.2 Kondensatseitige Regelung �������������������������������������27 3.3.2.1 Sicherheitstemperaturregelung������������������������������ 28 3.3.2.2 Druck des Sekundärmediums�������������������������������� 29 3.3.3 Vergleich der Regelungsarten���������������������������������31 3.3.4 Dreiwege-Regelung���������������������������������������������������31 3.3.5 Bypassregelung���������������������������������������������������������31 3.3.6 Splitrange-Betrieb�����������������������������������������������������31 3.3.7 Druck und Temperatur�������������������������������������������� 32 4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.5.1 4.5.2 4.6 Auslegungsbedingungen für Wärmetausch­lösungen�������������������������������� 33 Dimensionierung des Wärmetauschers���������������� 33 Druckverlust ������������������������������������������������������������ 33 Strömungsgeschwindigkeit ������������������������������������ 34 Zweiphasenströmung���������������������������������������������� 34 Fouling, Kalkausfall, Selbstreinigung�������������������� 34 Arten des Fouling ���������������������������������������������������� 35 Selbstreinigung�������������������������������������������������������� 36 Armaturen und Zubehör �����������������������������������������37 5. Bauarten von Wärmetauschern������������������ 39 5.1 Rohrbündel-WT ������������������������������������������������������ 39 5.2 Geradrohr-WT���������������������������������������������������������� 39 5.3 Platten-WT�����������������������������������������������������������������41 5.4 Plate&Shell-WT�������������������������������������������������������� 42 5.5Vergleich der verschiedenen Wärmetauschertypen���������������������������������������������� 42 5.6 Mischungsprozesse�������������������������������������������������� 43 5.6.1 Mischen von Flüssigkeiten�������������������������������������� 43 5.6.2 Direkteinblasung von Dampf (Injektion)�������������� 43 6 Anwendungen������������������������������������������������ 44 6.1 Durchlauferhitzer, Brauchwassererwärmung������ 44 6.2 Heizungstechnik������������������������������������������������������ 45 6.3 Trinkwassererwärmung, Zweikreissystem������������ 47 6.4 Speicher-Lade-System �������������������������������������������� 48 6.5 CIP-Reinigung���������������������������������������������������������� 49 6.6 Flaschenwaschmaschinen �������������������������������������� 50 6.7Behandlungsbäder in Galvanik und Stahlindustrie �����������������������������������������������������������51 6.8 Wärmerückgewinnung bei Brüdendampf ������������ 52 6.9 Wrasendampf von Speisewasserentgasern ���������� 53 6.10 Energierückgewinnung bei der Reindampferzeugung���������������������������������������������� 54 7 Inbetriebnahme, Wartung, Betrieb������������ 55 7.1 Vor der Inbetriebnahme�������������������������������������������55 7.2 Nachlaufzeit bei kompakten Wärmetauschern������������������������������������������������������ 56 7.3 Wartung und Systemtests �������������������������������������� 56 8 Anhang������������������������������������������������������������ 58 8.1 Einheiten ������������������������������������������������������������������ 58 8.2 Formeln �������������������������������������������������������������������� 58 8.3 Wärmeübergangszahlen α�������������������������������������� 60 8.4 Wärmedurchgangskoeffizienten k ������������������������ 60 8.5Mittlere Wärmekapazitäten cm, Verdampfungswärme ∆hv ���������������������������������������61 8.6 Begriffserklärung����������������������������������������������������� 62 8.7 Auswahl wichtiger Normen������������������������������������ 63 8.8 Mollier-Diagramm �������������������������������������������������� 64 8.9 Wasserdampftafel���������������������������������������������������� 65 Suchwortregister�������������������������������������������������������������������� 66 Spirax Sarco | 1 − Warm, wärmer, am wärmsten 1. Warm, wärmer, am wärmsten 1.1 Die alten Germanen ... Die alten Germanen wärmten sich noch am Feuer – so hatten wir in einer unserer Werbeanzeigen in den 60er Jahren formuliert. Und dieser Einstieg in unsere kleine Geschichte der Wärmelehre ist nicht weit hergeholt. Den Bezug auf den Menschen findet man in der Wärmetechnik häufig. Letztendlich sind es vor allem Menschen, die künstliche Wärme benötigen und diese – lange vor dem Einsatz der Wärme in Maschinen – nutzen lernten. Wärme, das heißt für viele Menschen vor allem behagliche Temperaturen. Wärmequelle genutzt wurde, lässt sich nicht genau sagen. Dass Feuer und Wärme dann aber vom Kochzweck langsam zu einem Komfortelement wurden, lässt sich ziemlich genau verfolgen: Die alten Griechen (schon wieder die!) und dann ganz sicher die Römer entwickeln eine Kultur des Badens, die den planvollen Umgang mit Wärme voraussetzt. Nachdem der Mensch bereits seit ca. 8000 Jahren natürlich vorkommende Metalle nutzt und bearbeitet, dient während der Kupferzeit Feuer dazu, Werkstücke zu gießen und dann auch Mischungen (Legierungen) herzustellen. Aus Kupfer Germanen Der deutsche Physiker Daniel Fahrenheit hat für seine Temperaturskala als einen Fixpunkt die Körpertemperatur des Menschen auf 96ºF (heute korrekt 98,6ºF) festgelegt. Und der Nullpunkt der Skala war die niedrigste, für ihn erreichbare Temperatur: Der Winter in Danzig 1708/09 mit -17,8ºC war bitterkalt. Dass sich die 1742 durch den Schweden Anders Celsius eingeführte Temperaturskala in vielen Ländern weiter verbreitet hat, ist wohl auf den eingängigeren Bezug seiner Skala auf den Gefrier- und Siedepunkt des Wassers zurückführen. Ursprünglich war übrigens der Gefrierpunkt als 100ºC definiert und der Siedepunkt bei 0ºC. Ein anderer Schwede, Carl von Linné, hat das dann drei Jahre später auf den Kopf gestellt, so sind wir das auch heute noch gewohnt. Geschichtlich befinden wir uns mit der Entwicklung der Temperaturskalen am Anfang des 18. Jahrhunderts. Es gibt heiß und kalt, die Temperaturen, mit denen sich die Menschen auskennen, bewegen sich etwa zwischen Frost und heißem Wasser. Das es nach oben hin noch mehr gibt, kann man in den Schmieden und in den Metallschmelzen schon seit der Kupferzeit (ca. 4000 v. Chr.) erkennen. Tatsächlich aber müssen wir wesentlich früher mit unserer Geschichte beginnen. Wir kennen noch längst nicht die Unterscheidung zwischen Temperatur und Wärme. Noch immer friert also unser früherer Vorfahre im Winter, bis er vor vielleicht 300.000 Jahren anfängt, das Feuer zu nutzen. Ob es zuerst zum Kochen, zum Haltbarmachen von Fleich, zur Jagd und zum Vertreiben wilder Tiere oder eben als | Spirax Sarco und Zinn wird Bronze, das erste harte Metall. Dieser technologische Fortschritt erlaubt bessere Werkzeuge, um damit besser und schneller zu bauen, zu pflügen und zu kämpfen. Die Metallgewinnung stellt einen wichtigen Baustein in der Entwicklung des Menschen dar. Heronsball, ca. 100 AD Um die Zeitenwende gibt es dann erste, uns bekannte Versuche, Wärme „maschinell“ zu nutzen. Heron von Alexan­ dria zeigt um etwa 100 n. Chr. mit seinem Heronsball, dass Bewegung mit Wärme erzeugt werden kann. Die erste, primitive Dampfmaschine ist erfunden. Anschließend dauert es immerhin noch über 1500 Jahre, bevor sich mit Denis Papin 1690 wieder jemand dieses Themas annimmt. 1698 ist es dann soweit: Die erste sinnvoll einsetzbare Maschine „Miner’s Friend“ zur Entwässerung von Bergwerken wird von Thomas Savery patentiert. Richtig zur Blüte bringt diese Art der Entwässerungsmaschinen Thomas Newcomen ab 1712. Dampfwagen um 1784 Der berühmte James Watt nimmt 50 Jahre später entscheidende Verbesserungen vor – erfunden hat er die Dampfmaschine aber nicht, auch wenn das in vielen Büchern so geschrieben steht. William Murdoch, Richard Trevithick und Oliver Evans sind die Pioniere, die die Dampfkraft auf Räder und die Schiene bringen. Damit ist dem unermesslichen Hunger der industriellen Revolution nach frei verfügbarer Kraft, schneller Geschwindigkeit und weit über Muskelkraft hinausgehnder Leistung das notwendige Antriebsmittel verliehen. Die industrielle Revolution lässt sich nicht mehr aufhalten. 1 − Warm, wärmer, am wärmsten die von einem Material auf das andere übergehen? Im ausgehenden 17. Jahrhundert arbeiten Mariotte, Boyle und Amontons an der Beziehung zwischen Druck und Temperatur von Gasen. Die Physiker Charles und Gay-Lussac erlangen um die Jahrhundertwende die Erkenntnis, dass Druck und Temperatur zusammenhängen, während Prevoust schon davon spricht, dass alle Stoffe in einem thermischen Gleichgewicht zueinander stehen. Revolutionär neu formuliert Prevoust die Erkenntnis, dass alle Körper Wärme ausstrahlen, egal, ob warm oder kalt. Wärme hat plötzlich nicht mehr ausschliesslich mit Temperatur zu tun. Anfang des 18. Jahrhunderts – immer noch vor allem durch französische Wissenschaftler – kommen weitere Durchbrüche in der Erkenntnis: Avogadro postuliert, dass Gase bei gleichem Volumen, Druck und Temperatur gleich viele Moleküle enthalten und stellt damit eine Beziehung zwischen Materie und Wärme her. Carnot beschäftigt sich intensiv mit den immer mehr aufkommenden Dampfmaschinen. Er erkennt, dass Feuer eine bewegende Kraft hervorrufen kann, dass also Wärme in Kraft und Bewegung umgewandlt werden können. Er ist davon überzeugt, dass diesem Effekt mehr Aufmerksamkeit zu schenken ist und wird so zu einem der Gründerväter der Thermodynamik. Nicht von ihm, aber ihm zu Ehren werden heute die idealen, reversiblen KraftWärmeprozesse „Carnot-Prozesse“ genannt. Erst einige Jahrzehnte nachdem Carnot seine Überlegungen veröffentlicht hat, greifen andere sie auf: Clapeyron gibt dem CarnotProzess eine mathematische Grundlage, Thomson (Lord Kelvin) und Clausius berufen sich ab Mitte des 19. Jahrhunderts ausdrücklich auf seine Untersuchungen. Wärme Verdichten Entspannen Arbeit Wärme Dampfbetriebene Entwässerungsmaschine um 1712 Carnot-Prozess Parallel dazu, auch angetrieben durch die Nutzung der ersten einfachen Dampfmaschinen, beginnen Wissenschaftler damit, sich mit Gesetzmäßigkeiten der Natur zu beschäftigen. Immer noch ist in dieser Zeit überhaupt nicht klar, was Wärme eigentlich ist. Ein geheimnisvoller Stoff vielleicht, der von einem Körper in den anderen fließt? Turbulenzen, Genau um diese Zeit schlägt die große Stunde der Wärmetechnik. Joule weist das mechanische Wärmeäquivalent nach: Wärme und Arbeit lassen sich ineinander umwandeln. Parallel zu Mayer entsteht der erste Grundsatz der Thermodynamik: Energie geht nicht verloren, sondern wird nur umgewandelt. Anstelle „Energie“ standen zuerst Kraft und Spirax Sarco | 1 − Warm, wärmer, am wärmsten Wärme. Spätestens seit der Formulierung des Energierhaltungssatzes durch Helmholtz 1847 ließ sich die Erkenntnis, das Kraft und Wärme beides Formen von Energie sind, nicht mehr aufhalten. Energie, das ist der vom schottischen Ingenieur Rankine eingeführte Name für das, was vorher „lebendige Kraft“ genannt wurde. Was in Frankreich begonnen hat, wird jetzt durch deutsche und englische Forscher zur weiteren Reife gebracht: Clausius, Boltzmann, Gibbs und Maxwell legen das Fundament für die theoretische Physik und schlagen die Brücke zwischen dem, was wir Menschen erkennen und erfühlen, hin zur Molekularphysik und zur Wellenlehre. Der Begriff Entropie entsteht. Der thermodynamische Kreisprozess, Grundlage für jedes Dampfkraftwerk, wird als Clausius-Rankine-Prozess beschrieben. Vor allem die Arbeiten von Maxwell legen Grundlage für die Sternstunde, die die theoretische Physik dann Anfang des 20. Jahrhunderts durch Einstein und Planck erfährt. Was da bei einem unserer Urvorfahren mit der einfachen Nutzung von Feuer begann, befindet sich heute ganz dicht (nach den Begriffen der Zeit und der Temperatur) an der Erforschung des Urknalls in der größten Forschungseinrichtung der Welt, im CERN in Genf. Und trotz all dieser wissenschaftlichen Großleistungen benötigen wir Wärme weiterhin ganz praktisch zum Heizen im Winter, zum Brauen von Bier, zum Sterilisieren medizinischer Güter, zum Waschen und Kochen. Die praktische Nutzung der Energieform Wärme benötigt Apparate und Einrichtungen, um Wärme von einem Platz zum anderen, von einem Stoff auf den anderen zu übertragen. Der Raubbau der natürlichen Ressourcen, die Auswirkung des Menschen auf die Umwelt – lokal und global – haben die Blickrichtung verändert. Nicht mehr die Nutzung und Gewinnung von Energie alleine steht im Vordergrund, sondern das sparsame Verbrauchen. Immer weiter wird versucht, sich dem idealen Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses anzunähern. Um die Effizienz zu steigern, werden alle Einrichtungen zur Wärmegewinnung und zur Wärmeverwendung neu betrachtet. Alle Wärmeströme bis hin zu kleinsten Abwärmen sollen genutzt werden. Das hat Auswirkung auf die Auslegung und den Aufbau einzelner Apparate und ganzer Anlagen. Der Übergang der Wärme von einem Medium – für Spirax Sarco heißt das meist Übertrag der Dampfwärme – auf ein anderes, üblicherweise wässriges Medium, ist eine der meist genutzten Formen in der Wärmeverwendung – und das Thema dieses Buches. | Spirax Sarco 2 – Die Physik der Wärme 2. Die Physik der Wärme 2.1 Die Hauptsätze der Thermodynamik Wärmeinhalt (Energie) kJ/kg 2800 2700 Im ersten Kapitel dieses Buches haben wir bereits die beiden Hauptsätze der Thermodynamik kennen gelernt. Dass die „Entdeckung“ dieser Grundregeln nicht einmal 200 Jahre her ist, zeigt, dass sie keineswegs als selbstverständlich angenommen werden können. Dabei ist es wichtig, sich nochmals zu vergegenwärtigen, dass mit dem Begriff „Wärme“ eine Energieform gemeint ist. Die thermische Energie, gemessen in kW, ist umformbar in andere Energiearten wie z. B. mechanische Arbeit. Die mechanische Arbeit lässt sich wieder in elektrische Energie transferieren. Und natürlich funktioniert das auch in umgekehrter Richtung. Würde nicht bei jeder Wandlung Energie in ungewollte Formen umgewandelt werden (z. B. Wärmeverluste, Reibungsverluste etc.), könnte man daraus ein Perpetuum Mobile bauen. Thermische Energie [kJ] Mechanische Energie [Nm] Elektrische Energie [kWh] 2600 2500 50 100 150 200 250 Temperatur °C Energie und Temperatur für Sattdampf Die Grafik des Wasserdampfes an seinem Sättigungspunkt zeigt eindrücklich, dass es zwischen Temperatur und Energieinhalt keinen linearen Zusammenhang gibt. Grund dafür ist, dass die Verdampfungsenthalpie sich mit dem Druck ändert: Bei höherem Druck muss mehr Energie in das flüssige Wasser gesteckt werden, bevor es überhaupt in die Gas/ Dampf-Phase übertreten kann. Ist dieser Zustand erreicht, ist die Molekülbewegung bereits so groß, dass zur Verdampfung weniger Energie benötigt wird. Die Verdampfungsenthalpie sinkt also mit steigendem Druck. Energieumwandlung Dass sich Energie umformen lässt, ist eine wesentliche Erkenntnis. Und so lautet auch der erste Hauptsatz der Thermodynamik: Energie lässt sich nicht erzeugen und Energie geht nicht verloren. Energie lässt sich nur in verschiedene Formen umwandeln. Der erste Hauptsatz wird auch „Gesetz von der Erhaltung der Energie“ genannt. Dass der erste Hauptsatz zwar technisch richtig ist, sich jedoch im atomaren Maßstab relativiert, hat Albert Einstein erkannt. Energie und Materie stehen miteinander in Beziehung über die Lichtgeschwindigkeit c: E=m⋅c2. Aber das nur als Bemerkung der Vollständigkeit halber. Der Energieinhalt eines Gases oder einer Flüssigkeit kann sich in Form von Druck und Temperatur zeigen. Der Begriff „Enthalpie“ wird verwendet, um den gesamten Energieinhalt zu bezeichnen. Im allgemeinen Sprachgebrauch gehen die Begriffe manchmal etwas durcheinander. Es kommt öfter vor, dass Wärme und Temperatur verwechselt werden. Die Temperatur, gemessen in °C oder K, ist aber nur eine Zustandsgröße eines Stoffes, nicht jedoch die Wärme selbst. Dabei ist es nicht immer so, dass ein Stoff mehr Wärme enthält, wenn seine Temperatur höher ist. Beispiel: Sattdampf (9 barü) 180°C; Energieinhalt: 2778 kJ/kg Dampftemperatur (überhitzt): 180°C, 2 bar; Energieinhalt: 2824 kJ/kg Dass die Temperatur eine eminent wichtige Zustandsgröße ist, zeigt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik: Wärmeenergie kann nur dann in mechanische Energie (Arbeit) umgewandelt werden, wenn ein Temperaturgefälle vorhanden ist. Diese Erkenntnis bedeutet auch, dass es nicht möglich ist, mit einem kalten Medium ein wärmeres Medium weiter zu erwärmen. Lediglich wenn weitere Zustandsgrößen verändert werden, kann auch aus kühleren Medien Energie gewonnen und zur weiteren Erwärmung des heißeren Mediums verwendet werden. Ein typisches Beispiel ist die Wärmepumpe bzw. der Kühlschrank. 2.2 Die Wärmedurchgangsformel Trifft ein heißes Medium auf eine Oberfläche mit niedriger Temperatur, so gibt das wärmere Medium Energie an die kühlere Oberfläche ab, die Oberfläche erwärmt sich. Ein paar kleine Experimente zeigen, von welchen Faktoren die übertragene Energiemenge abhängt: Will man ein kühles Bier erwärmen, nimmt man gern die Hände zur Hilfe. Allerdings zeigt die Erfahrung, dass der kleine Finger nicht ausreichend ist, man muss schon die ganze Hand nehmen. Die übertragene Wärmemenge ist also von der berührten Fläche abhängig. Ist das Bier besonders kalt, braucht das Aufwärmen viel länger und die eigenen Finger werden ganz schön kalt. Die übertragene Wärmemenge ist also vom Temperaturunterschied abhängig. Spirax Sarco | 2 – Die Physik der Wärme gleichzeitigem Austausch der Wärme ist die Aufgabe des Wärmeübertragers, der umgangssprachlich Wärmetauscher genannt wird. Der Wärmeübergang von einem Medium auf das andere besteht bei solchen Apparaten aus mindestens drei Einzel-Vorgängen: Das Heizmedium gibt seine Wärme an den Wärmetauscher ab Q1 = α1 ⋅ A ⋅ (T1-T2). Durch das Material wird die Wärme auf die andere Seite geleitet Q2 = λ/d ⋅ A ⋅ (T2-T3). Dort wird sie an das kältere Medium abgegeben Q3 = α2 ⋅ A ⋅ (T3-T4) Temperatur Dampftemperatur Dampf Kondensat-Film Metall-Wand durchschnittliche Wandtemperatur Wasser Temperaturverlauf Wassertemperatur Q1 „Wärmetauscher“ Geht einem das mit dem Bierwärmen zu lang, hilft meist ein bisschen rühren und schütteln. Durch die Bewegung geht die Erwärmung etwas schneller. Außerdem kann man feststellen, dass die Geschwindigkeit der Erwärmung mit dem verwendeten Material zu tun hat: Ein Bierglas lässt sich besser erwärmen als eine Tupperdose. Der Einfluss von Werkstoff und Bewegung hat etwas mit der Qualität des Wärme­ übergangs zu tun. In der Technik wird dieser Zusammenhang mit dem Wärmeübergangskoeffizienten α ausgedrückt. Als Formel für den Wärmeübergang von einem Stoff auf einen anderen ergibt sich aus unseren einfachen Betrachtungen Q = α ⋅ A ⋅ ∆T Q α A ∆T Wärmemenge (Energie), Einheit W (Watt) Wärmeübergangskoeffizient, Einheit W/(m2 ⋅ K) Fläche, Einheit m2 Temperaturdifferenz in K (Kelvin) Für den Wärmedurchgang durch einen Feststoff benötigt man die Wärmeleitfähigkeit λ; man findet sie in den einschlägigen Tabellenwerken z. B. Anhang 8.3 dieses Buches. Die übertragene Energiemenge lässt sich so berechnen: Q = λ/d ⋅ A ⋅ ∆T λ d Wärmeleitkoeffizient; Einheit W / (m ⋅ K) Materialstärke; Einheit m Bei den meisten industriellen Wärmeprozessen ist es nicht erwünscht, dass die beiden beteiligten Stoffe miteinander in Berührung kommen. Die Trennung der beiden Stoffe bei | Spirax Sarco Q2 Q3 Wärmedurchgang an einer Metallwand Klammert man einmal mögliche Wärmeverluste aus, so gilt Q1 = Q 2 = Q 3 D.h. die Wärme, die auf der linken Seite eingetragen wird, wird auf der rechten Seite (vollständig) entnommen. Dem Wärmetransport wirken die drei Widerstände entgegen: Wärmeleitung und die Wärmeübergänge. Diese drei Widerstände lassen sich zu einem Wert zusammenfassen: 1/k = 1/α1 + d/λ + 1/α2. 1/k wird als Wärmeleitwiderstand bezeichnet. Der Umkehrwert k heißt Wärmedurchgangskoeffizient. Damit erhält man die allgemeingültige Formel für den Wärmetauschprozess in einem Wärmetauscher: Q = k ⋅ A ⋅ ∆Tm k Wärmedurchgangskoeffizient ; Einheit W/(m2 ⋅ K) ∆Tm mittlere Temperaturdifferenz; Einheit K Lassen Sie uns das noch einmal sprachlich zusammenfassen: Der Wärmedurchgang ist umso besser, •je größer der Wärmedurchgangskoeffizient (Kap. 2.3), • je größer die Fläche, •und je größer die Temperaturdifferenz ist (Kap. 2.4). 2 – Die Physik der Wärme 2.3Der Wärmedurchgangskoeffizient k Wie in Kapitel 2.2 gezeigt, ist der Wärmedurchgangskoeffizient eines Wärmetauschers von den beiden Wärmeübergangskoeffizienten α1 und α2 und der Wärmeleitkoeffizienten abhängig. Der Letztere ist leicht aus Tabellen abzulesen, schwieriger ist es mit den beiden Wärmeübergangskoeffizienten. Der Wärmeübergangskoeffizient α ist von vielen Parametern abhängig, z. B. • Dichte • Spezifische Wärme • Wärmeleitfähigkeit • Viskosität • Strömungsverhältnisse • Geometrie • Temperatur etc. Bei so vielen Parametern ist eine Berechnung sehr komplex und man hat sich deswegen in der Technik mit empirischen Kennzahlen beholfen: Grashof-Zahl, Prandtl-Zahl, NusseltZahl, Reynolds-Zahl und diversen Kombinationen dieser Zahlen. Die Formeln für die Berechnung finden Sie in Anhang 8.2. Für uns soll an dieser Stelle die prinzipielle Entdeckung von O. Reynolds ausreichen, der um 1875 erkannt hat, dass laminare Strömung den Wärmeübergang stark behindert. Leider tritt dieser laminare Effekt mindestens im Grenzbereich fast jeder Strömung auf. Um ihn zu beseitigen, werden technische Maßnahmen wie Prallbleche oder gewellte Rohre verwendet. Die dadurch erzeugte Turbulenz führt – bildlich gesprochen – zu besserer Vermischung und damit zu besse­rem Wärmetransport. Genau dieser Effekt bringt uns zu unserem Bierglas zurück: Die Erwärmung geht schneller vonstatten, wenn das Bier in Bewegung gesetzt wird. In Kapitel 4 werden wir sehen, dass das Erzeugen turbulenter Verhältnisse weitere, wichtige Auswirkungen hat: •Turbulenz sorgt für Selbstreinigung: Feststoffe werden mitgerissen •Der Druckabfall über einen Wärmetauscher steigt durch Turbulenz an •Zu geringe Strömung erhöht die Verschmutzungsneigung und verschlechtert den Wärmeübergang •Zu hohe Strömung erhöht den Druckverlust und führt zu erhöhter Abnutzung Bei der Dimensionierung eines Wärmetauschers müssen die widersprüchlichen Effekte gut gegeneinander austariert werden. Auswahltabelle der Wärmedurchgangskoeffizienten siehe Anhang 8.4. 2.4 Die Temperaturdifferenz ∆T Im einfachsten Fall ist die Temperaturdifferenz der Unterschied zwischen dem heißen Medium und dem kälteren, zu erwärmenden Medium. In der technischen Praxis sind die Temperaturverläufe jedoch keineswegs linear. Wir unterscheiden vor allem den Gleichstrom – d.h. die Medien fließen in gleicher Richtung – und den Gegenstrom – d.h. die Medien fließen in entgegengesetzter Richtung durch einen Wärmetauscher. In beiden Fällen wird als Temperaturdifferenz die mittlere, logarithmische Differenz berechnet. Eintritt Primärmedium Austritt Eintritt Sekundärmedium Sekundärmedium Austritt Primärmedium Wärmeübertragung im Gegenstrom Betrieb im Gegenstrom Temperatur T1 Eintritt Primärseite Austritt T2 T4 Austritt Sekundärseite Eintritt T3 Wärmetauscherabmessung Laminare, teilweise turbulente und turbulente Strömung Wärmeübertragung im Gegenstrom Spirax Sarco | 2 – Die Physik der Wärme Eintritt Primärmedium In diesem Fall kann die mittlere Temperaturdifferenz vereinfacht arithmetisch berechnet werden: Eintritt Austritt Sekundärmedium Sekundärmedium Austritt Primärmedium ∆Tm = T1 + T3 2 T2 + T4 2 Da T1 und T3 bei Dampf gleich bleiben (TD = T1 = T2) ergibt sich ∆Tm = TD - Wärmeübertragung im Gleichstrom - T3 + T4 2 Gegenüber der logarithmischen Berechnung ergibt sich ein kleiner Fehler, der in der Praxis aber oft vernachlässigbar ist. Betrieb im Gleichstrom Temperatur T1 2.5 Strömung und Druckverluste Primärseite Te Ta T2 T4 Sekundärseite 2.5.1 Der Mengenstrom und die Kontinuitäts­ gleichung T3 Wärmetauscherabmessung Eintritt Druckverlustberechnungen in Rohren, Wärmetauschern und Apparaten sind ein ganz eigenes Kapitel. An dieser Stelle deshalb nur einige wenige Grundlagen. Austritt Die Durchflussgleichung gilt sowohl für inkompressible Medien wie z. B. Wasser, als auch für Gase und Dämpfe: Wärmeübertragung im Gleichstrom ṁ = ρ ⋅ V̇ = ρ ⋅ v ⋅ A ∆Tm = ∆Te - ∆Ta ln ∆Te ∆Ta = (T1 - T3) - (T2 - T4) ln T1 - T3 T2 - T4 Einen Sonderfall stellt die Verwendung von Sattdampf dar: Der kondensierende Dampf und das daraus entstehende Kondensat haben an jeder Stelle die gleiche Temperatur. Voraussetzung ist, dass das Kondensat durch konstruktive Maßnahmen sofort von den Wärmeübertragerflächen ablaufen kann und über einen geeigneten Kondensatableiter aus dem Dampfraum entfernt wird. ṁ ρ V̇ v A Mengen- oder Massenstrom, Einheit kg/h Dichte, Einheit kg/m3 Volumenstrom, Einheit m3/h Geschwindigkeit, Einheit m/h Fläche, Einheit m2 Während des Durchflusses geht keine Masse verloren, auch nicht beim Verdampfen oder Kondensieren (Masse­ erhaltungssätze). Deswegen gilt für unsere Prozesse auch ṁ = ρ ⋅ V̇ = ρ ⋅ v ⋅ A = konstant Diese Formel ist eine der wichtigsten Beziehungen in strömenden Medien und heißt Kontinuitätsgleichung. Dampf/Wasser-Wärmetauscher Für Flüssigkeiten kann man dabei vereinfachen: Temperatur V̇ = v ⋅ A = konstant Dampf Kondensat Primärseite T1 = T2 Aus strömungstechnischer Sicht sind Armaturen, Wärmetauscher, aber auch Rohrbögen, ja sogar die Rohre selbst Widerstände. Sie behindern den freien Durchfluss. Die spür- und berechenbare Auswirkung ist der Druckverlust: Vor der Armatur/Rohrleitung/Wärmetauscher herrscht ein höherer Druck als hinterher. T4 Sekundärseite T3 Wärmetauscherabmessung Eintritt Wärmeübertragung mit Sattdampf als Heizmedium 10 | Spirax Sarco 2.5.2 Druckverlustberechnung Austritt In hydraulischen Systemen wie z. B. der Sekundärseite des Wärmetauschers kann das zu unerwünschten Entmischungen führen. Z. B. wird ein Heizkreis in einem Gebäude 2 – Die Physik der Wärme mit weniger Warmwasser versorgt als die anderen Gebäudeteile. Im Sekundärkreislauf kann das auch dazu führen, dass es zu Teilverdampfungen kommt, bzw. um dass zu verhindern, eine wesentlich stärkere Pumpleistung abverlangt wird. Mehr dazu in Kapitel 3.3.2.2 Üblicherweise wird vom Anlagenplaner für den Wärmetauscher der maximal erlaubte Druckabfall auf der Sekundärseite vorgegeben. Beim Auslegen des Wärmertauschers ist das zu berücksichtigen und mit der Anforderung an die Strömungsbedingungen in Einklang zu bringen (Turbulenz für guten Wärmeübergang und Selbstreinigungseffekte). Druckverluste werden als die Summe der einzelnen Strömungswiderstände berechnet: Ermittlung Druckverlust für Sattdampf und Wasser 1.Für Armaturen: Widerstandswert C aus Tabelle ermitteln 2.Für die Rohrleitung: spezifischer Widerstandswert C’ aus Tabelle; C = C’ ⋅ Länge 3. Cges ermitteln: Cges = C1 + C2+ ...Cn 4. Druckverlust berechnen: ∆p = Cges ⋅ (ρ ⋅ v2)/2 ∆p Druckverlust; Einheit Pa ρ Dichte aus Dampftafel; Einheit kg/m³ v Strömungsgeschwindigkeit; Einheit m/s Beispiel für Sattdampf Absperrventil DN 50, Rohrleitung 20 m, DN 50, Dampf 5 bar, ρ = 3,1646 kg/m³, Strömung v = 25 m/s 1. C Absperrventil : 5,0 2. C Rohrleitung : 0,41 · 20 = 8,2 3. C ges = 5,0 + 8,2 = 13,2 4. ∆p = 13,2 ⋅ 3,16 · 252 = 13,035 Pa = 0,13 bar DN C‘ Rohrleitung [1/m] C Absperrventil C TStück C 90°Bogen 10 15 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 350 400 500 1,52 1,37 1,03 0,82 0,64 0,52 0,41 0,32 0,26 0,21 0,16 0,14 0,10 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 4,75 4,75 4,80 4,85 4,9 5,0 5,1 5,3 5,5 5,7 5,9 6,2 6,6 7,0 7,5 7,9 8,5 4,2 3,7 3,5 3,4 3,3 3,2 3,1 3,0 3,0 3,0 3,1 3,2 3,4 3,6 3,9 4,3 5,0 6,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 2.5.3 Der Energiebedarf Zur Ermittlung des Energiebedarfs für die Erhitzung eines Mediums sind drei Angaben notwendig: 1.Wieviel Medium soll erhitzt werden, d.h. der Massenstrom ṁ ? 2. Was für ein Medium wird erhitzt, d.h. die spezifische Wärmekapazität cp des Mediums? 3.Um welche Temperatur soll das Medium erhitzt werden? Meist ist dabei die Anfangstemperatur und die gewünschte Endtemperatur bekannt. Allgemein: Q = ṁ ⋅ cp ⋅ ∆T Wird ein Medium erhitzt, so besitzt es nach der Erhitzung ein höheres Energieniveau. Diese Erhöhung muss vom Heiz­ medium geliefert werden, wobei mögliche Wärmeverluste zu berücksichtigen sind. Wird zur Erhitzung Dampf verwendet, wird nicht mit der spezifischen Wärmekapazität cp des Dampfes gearbeitet, sondern mit der Verdampfungswärme ∆hv bzw. korrekter mit der genau gleich großen Konden­ sationswärme. Bei anstaugeregelten Wärmetauschern kann dann allerdings noch die Kondensatunterkühlung mit berücksichtigt werden. Dampfbedarf: Dampfbedarf überschlägig: mD = ṁ ⋅ cp ⋅ ∆T / (∆hv ⋅ t) mD = Q ⋅3600 / ∆hv mD= Q ⋅ 1,8 Q Leitung, Einheit kW cp Wärmekapazität, Einheit kJ/kgK ∆T Temperaturdifferenz; Einheit K ṁ Massendurchfluss, Einheit kg/h ∆hvVerdampfungsenthalpie des Wasserdampfes (bei Druck x), Einheit kJ/kg t Zeit, Einheit h mD Dampfmenge, Einheit kg/h Beispiel: Ein Wärmetauscher soll 8.000 l Wasser pro Stunde im Durchlauf auf 65°C erwärmen. Das Wasser tritt mit 15°C in den Wärmetauscher ein. Es steht Dampf mit 4 barü zur Verfügung. cp von Wasser: 4,2 kJ/kgK ∆hv von Dampf bei 5 bar: 2068 kJ/kg Wärmebedarf: Q = 8000kg ⋅ 4,2 kJ/kgK ⋅ (65 °C-15°C) = 8000 kg ⋅ 4,2 kJ/kgK ⋅ 50 K = 1.680.000 kJ = 467 kW Dampfbedarf: mD = 8000 kg ⋅ 4,2 kJ/kgK ⋅ (65 °C-15°C) / (2068 kJ/kg ⋅ 1h) = 812 kg/h Dampfbedarf überschlägig: 476 kW ⋅ 1,8 kg/h kW = 856 kg/h Spirax Sarco | 11 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher 3. Dampfbetriebene Wärmetauscher Alle Hinweise und die Berechnungsformeln aus den vorherigen Kapiteln beziehen sich auf Wärmeübertrager allgemein, sie können jederzeit auf den Wärmeübertragungsprozess zwischen Gasen, Flüssigkeiten, Feststoffen oder auf Prozesse mit Stoffen unterschiedlicher Aggregatzustände angewendet werden. Beim Einsatz von Dampf als Heizmedium (Primärmedium) gibt es eine ganze Reihe von besonderen Eigenschaften, die genutzt werden können. Mehr dazu im nächsten Kapitel. Doch vorab ist es notwendig, einige Begriffe so zu klären, dass auch weiterhin verständlich bleibt, von was wir reden. 3.1 Begriffe, Definitionen, Normen 3.1.1 Primär und Sekundär Die Seite eines Wärmetauschers, die mit dem heißen Medium beschickt wird, nennt man Primärseite und das Medium heißt Primärmedium. Man spricht auch von den primärseitigen Drücken, Durchflüssen und Temperaturen und von der primärseitigen Leistung. Das Primärmedium ist das Medium, das im Laufe des Prozesses Wärmeenergie abgibt und dabei oft auch kälter wird (nicht bei Dampf: Sattdampf und Kondensat haben dieselbe Temperatur). Das Medium, das aufgeheizt wird, ist das Sekundärmedium. Sekundärseitige Temperatur, sekundärseitige Leistung, Sekundärkreislauf sind weitere Begriffe. Dampf Genau genommen gelten die vorgenannten Begriffe Primär und Sekundär nicht nur für Heizprozesse, sondern auch für Kühlprozesse. Im Kühlprozess ist dann das kühlere Medium auf der Primärseite, das zu kühlende Medium auf der Sekundärseite. Anders ausgedrückt: Auf der Primärseite ist das Medium, mit dem man den Wärmetauscher versorgt. Das Sekundärmedium ist das Medium, dessen Temperatur man verändern möchte. 3.1.2 Vorlauf und Rücklauf Die Begriffe Vorlauf und Rücklauf geraten manchmal etwas durcheinander. Schuld daran ist der Blickwinkel, d.h. ob man die Primärseite oder die Sekundärseite betrachtet oder gar den Sekundärkreislauf. Will man ganz sicher und unverwechselbar formulieren, müssten Vorlauf und Rücklauf jeweils in Bezug auf den Prozessteil bezeichnet werden, z. B. Vorlauf Sekundärseite Wärmetauscher. Leider nimmt man es in der Praxis nicht ganz so genau, es lohnt sich daher vor der eigentlichen Installation zu prüfen, ob dieselben Funktionen gemeint sind. Auf Plänen von fertig verrohrten Wärmeübergabestationen ist mit Vorlauf üblicherweise die heiße Seite des Sekundärkreises gemeint (Vorlauf Sekundärkreis oder Ausgangstemperatur Sekundärkreis oder Ausgangstemperatur Heizungskreis, siehe Grafik unten). 3.1.3 Normenbegriffe Dampftemperatur T1 Vorlauftemperatur T3 Primärseite “heizende Seite” Weitere Definitionen, Normbegriffe und Normen finden Sie im Anhang 8.6 und 8.7. Sekundärseite “beheizte Seite” Rücklauftemperatur T3 Kondensattemperatur T2 Kondensat Wärmetauscher Primär- und Sekundärkreislauf Vorlauf und Rücklauf aus Sicht der Gesamtanlage Vorlauf Heizungsanlage Wärmeübergabestation Dampf Vorlauf Kondensat 12 | Spirax Sarco Rücklauf Rücklauf Heizungsanlage 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher 3.2 Die besonderen Eigenschaften von Dampf Dampf unterscheidet sich von den meisten anderen Energieträgern durch seinen hohen Energieinhalt und den hervorragenden Wärmeübergang, über den wir schon in Kapitel 2.2 ausführlich gesprochen haben. Hier noch einmal zum Vergleich die energetischen Eigenschaften von Dampf und Wasser: Dampf (Sattdampf) Wasser Wärmeinhalt bei 1 barabs 2258 kJ/kg 417 kJ/kg Wärmeinhalt bei 5 barü 2085 kJ/kg 670 kJ/kg Wärmedurchgang auf Wasser 300…2000 150…1000 (3000) W / m 2 • K W / m 2 • K Spez. Volumen bei 1 barabs 1.6940 m³/kg 1 m³/kg Spez. Volumen bei 5 barü 0,3160 m³/kg 1 m³/kg Prandtl Zahl 1,07 (bei 100°C) 7,1 (bei 20°C) Die in der Tabelle genannten Wärmeinhalte für den Dampf sind nicht ganz korrekt, denn tatsächlich wird in der industriellen Praxis vor allem der in Klammern stehende Wärmeinhalt genutzt. Warum das so ist, erläutert das nächste Kapitel. 3.2.1 Warum Sattdampf? Um die Temperatur von Wasser zu erhöhen, wird Wärme zugeführt. Noch mehr Wärme wird allerdings benötigt, um das Wasser zu verdampfen. Es entsteht Sattdampf mit derselben Temperatur, die das Wasser am Verdampfungspunkt hatte. Temperatur [°C] 200,0 Druck:1 barabs 99,6 Ein anderer Effekt wirkt dem entgegen: durch die Überhitzung ist die Temperatur höher und damit auch die mittlere Temperaturdifferenz. Ziehen wir wieder unsere Formel des Wärmetransports zu Rate: Q = k ⋅ A ⋅ ∆Tm Bei überhitztem Dampf • wird k kleiner • ∆Tm wird größer Im besten Fall heben sich beide Effekte auf und die Fläche A bleibt gleich, d.h. Baugröße und Kosten ändern sich nicht wesentlich. Im schlechtesten Fall muss die Fläche A aber vergrößert und damit der Apparat verteuert werden. Andere Auswirkungen von überhitztem Dampf sind latent aber immer vorhanden: 1.Überhitzter Dampf ist für viele Anwendungen generell zu heiß und kann zur Zerstörung des Sekundärmediums führen. 2.Die besonders hohe Temperatur kann auf der Sekundärseite zur teilweisen Verdampfung führen. Das wiederum hat zur Folge, dass es zu Kavitationseffekten und stark reduzierter Materiallebensdauer kommt. 3.Durch die schnelle Temperaturänderung bei geringer Wärmeabgabe wird die Regelbarkeit schlechter. Vor allem im Teillastbereich kommt es zu Überschwingungen. In der industriellen Praxis wird daher fast ausschließlich mit Sattdampf gearbeitet, der bei der Kondensation große Mengen Energie (Wärme) unter sehr konstanten Bedingungen und mit hervorragendem Wärmeübergang abgibt. Das dabei entstehende heiße Wasser (Kondensat) kann weiter genutzt werden, siehe hierzu Kapitel 3.3.2 und 6.10. 3.2.2 Druck und Temperatur 417 Wasser Wärmeinhalt [kJ/kg] 2.258 200 Verdampfungswärme Überhitzung Energieinhalt des Dampfes Wird weiter Wärme zugeführt und der Sattdampf weiter erhitzt, entsteht überhitzter Dampf. Allerdings steigt die Dampftemperatur bereits bei geringer Energiezufuhr sehr stark an und genau das passiert auch im umgekehrten Fall, wenn der Dampf nämlich als Heizmedium wieder genutzt wird: Bei nur geringer Wärmeabgabe des überhitzten Dampfes sinkt die Temperatur stark ab. So schnelle Änderungen sind schlecht zu regeln. Außerdem ist überhitzter Dampf an sich ein Gas, die Wärmeübergänge sind bei weitem nicht so gut wie beim kondensierenden Dampf. Bei Sattdampf gibt es einen genauen Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur. Hier beispielhaft ein paar Werte aus der Dampftafel (Anhang 8.9 Dampftafel). Druck [barü] 0 1 2 5 10 15 20 40 Tempe­- 99,6 120,2 133,5 158,8 184,1 201,4 214,9 251,8 ratur [°C] Dieser eindeutige Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur hat ein paar sehr vorteilhafte Auswirkungen: Regelung Um einen Prozess regeln zu können, muss der Istwert erfasst werden. Soll z. B. ein Heißwasserkreislauf auf der Solltemperatur von 95°C gehalten werden, ist es unabdingbar, die wirkliche Temperatur des Wassers ständig zu messen und mit der gewünschten Temperatur (95°C) zu vergleichen. Diese Temperaturmessung ist dabei keineswegs einfach, Spirax Sarco | 13 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher ändert doch das Wasser durch Wärmeabgabe seine Temperatur ständig. An verschiedenen Stellen des Prozesses wird man daher unterschiedliche Temperaturen messen. Eine Zusatzaufgabe des Kondensatableiters ist es auch, störende, nicht kondensierbare Gase – vor allem Luft – ebenfalls auszuschleusen. Bei Dampf ist das anders: Bei gleichbleibendem Druck ist auch die Temperatur konstant, siehe Dampftafel. Da der Druck in einem geschlossenen Raum immer der gleiche ist, kommt es zu keiner „Druckschichtung“. Die Druckmessung ist sehr schnell, man muss nicht warten, bis sich z. B. ein Thermometer auf eine neue Temperatur eingestellt hat. Außerdem kann man an nahezu jeder beliebigen Stelle messen, da der Druck im Dampf und damit die Temperatur ja überall dieselbe ist. In unseren „Grundlagen der Dampf- und Kondensattechnologie“ gehen wir ausführlich auf die Entwässerung und Kondensatableiter ein, so dass wir uns hier auf die Punkte beschränken, die direkt mit Wärmetauschern zu tun haben. Stabilität Wird Wasser als Heizmedium verwendet, verringert sich seine Temperatur während des Wärmetausches ständig, sie nimmt ab. Wir wissen bereits, dass je nach Messstelle im Prozess eine andere Temperatur gemessen wird. Das ist aus mehreren Gründen unangenehm: •Nicht jeder Prozess verträgt eine solche „Temperaturschichtung“. Eine Trocknungswalze (Papierherstellung, Textilproduktion, Wäschemangel) die über ihre Breite unterschiedliche Temperaturen hat, trocknet ungleich, es kommt zu Materialabrissen und die Arbeitsgeschwindigkeiten werden langsamer. •Die Auslegung der Wärmetauschflächen wird komplizierter, da an jeder Stelle des Prozesses andere Bedingungen vorliegen, die sich z.T. auch noch zwischen Anfahrzustand und Dauerbetrieb z. B. verändern können Bei Dampf ist das gänzlich anders: An jeder Stelle herrscht derselbe Druck und damit dieselbe Temperatur. Auch das entstehende Kondensat hat dieselbe Temperatur wie der Dampf. Voraussetzung ist allerdings, dass der Dampfraum so schnell und gut wie möglich entwässert wird, so dass das Kondensat nicht abkühlen kann. Zur Entwässerung mehr im nächsten Kapitel. Kondensatableiter kann man in zwei Kategorien einstufen: •Ableiter, die verzögerungsfrei ableiten; das sind Kugelschwimmer-, Glockenschwimmer- und thermodynamische Kondensatableiter •und solche, die eine Unterkühlung benötigen und deswegen Kondensat zurückstauen, wie thermische Kapselund Bimetall-Kondensatableiter. Kondensat im Wärmetauscher behindert nicht nur den Wär­ meübergang, sondern führt auch zu störenden Geräuschen bis hin zu starken Implosionsschlägen: Der Wasserdampf fällt an der kalten Wasseroberfläche schlagartig zusammen. Ein ungewolltes Zurückstauen von Kondensat vor dem Ableiter zurück in den Wärmetauscher ist deswegen unbedingt zu verhindern. Thermische Ableiter werden daher normalerweise nicht zur Wärmetauscherentwässerung eingesetzt. Ausnahmen gibt es zwar, sie bedürfen jedoch spezieller konstruktiver Maßnahmen, vor allem einer langen Anstaustrecke. Glockenschwimmer-Kondensatableiter entlüften schlecht und sind Energieverschwender. Thermodynamische Kondensatableiter sind ebenfalls schlechte Entlüfter und außerdem in ihrer Ableitleistung meist kleiner als Schwimmer-Kondensatableiter. Die optimale technische Lösung ist daher der Einsatz von Kugelschwimmer-Kondensatableitern mit eingebautem Entlüfter. Eintritt Entlüfter 3.2.3 Die Entwässerung Auch wenn Sie das in den vorangegangenen Kapiteln schon mehrfach gelesen haben: Besonders viel Energie wird frei, wenn Dampf kondensiert und gleichzeitig ist der Wärme­ übergang durch die Kondensation besonders gut. Das entstehende Wasser aber stört den Wärmeübergang (Kapitel 2.2), es muss also schnellstmöglich aus dem Wärmetauscher entfernt werden. Das ist die Aufgabe eines einfachen Regelorgans, des Kondensatableiters. Schwimmerkugel Hauptventil Kondensatableiter Die Aufgabe des Kondensatableiters lässt sich ganz einfach beschreiben: 1.Wertvoller Dampf soll im Prozess bzw. im Wärmetauscher verbleiben aber 2. Das störende Kondensat soll rasch abfließen. 14 | Spirax Sarco Austritt Kugelschwimmer-Kondensatableiter Wenn Ihnen die Funktion des Kugelschwimmer-Kondensatableiters unbekannt sein sollte: Die Schwimmerkugel hebt sich durch das einfließende Kondensat und gibt den Ventilsitz frei. Durch den höheren Druck im Dampfraum wird das Kondensat durch den Ableiter ins Kondensatnetz gedrückt. 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher Achtung: Für die Funktion eines Kondensatableiters ist es immer notwendig, dass vor dem Ableiter ein höherer Druck herrscht als nach dem Ableiter. Ist das nicht der Fall, muss ein Pump-Kondensatableiter eingesetzt werden (Kapitel 3.3.1.2 ). Die Ableiteleistung eines Kondensatableiters hängt direkt vom Differenzdruck ab, hier ein typisches Leistungsdiagramm: hend von der maximalen Wärmetauscherleistung – für die Entwässerung von Wärmetauschern mit einem Zuschlag von 30 % gearbeitet. Für die Entwässerung von Wärmetauschern gilt als Ergebnis der vorstehenden Beispielrechnung: QKSA = Qmax ⋅ 1,3 Qmaxmax. Leistung des Wärmetauschers, Einheit kW Berechnung der Ableiteleistung in kg/h: (QKSA ⋅ 3600)/∆hV ∆hV Verdampfungsenthalpie Dampf, Einheit kJ/kg In der Praxis kommt es, und zwar viel häufiger als man üb­ licherweise denkt, zu Zuständen, in denen der Druck zum gesicherten Ableiten des Kondensates nicht ausreicht. Vor allem bei zu groß ausgelegten Wärmetauschern und im Teillastbetrieb ist das der Fall, wenn dampfseitig geregelt wird. Wie mit solchen Anlagenzuständen umzugehen ist, beschreibt Kapitel 3.3.1. Die Auslegung eines Kondensatableiters für die Anstauregelung beschreibt Kapitel 3.3.2. 3.2.4 Kondensationsart: Lieber stehen oder liegen? Lieber stehen oder lieber liegen ist nicht eine Frage nach Ihrer persönlichen Vorliebe, sondern nach der Effizienz des Wärmetausches. Ableitdiagramm für FT47 Kondensatmenge pro Zeit Beim Anfahren eines Wärmetauschers steigt der Dampfdruck erst langsam an, da durch den kühlen Wärmetauscher das Dampfvolumen und damit der Druck schnell verbraucht werden. Im Anfahrzustand fällt besonders viel Kondensat an (bis B) und ausgerechnet in diesem Zustand hat der Ableiter noch nicht seine volle Leistung, es fehlt einfach der Vordruck. Erst wenn sich genügend Druck aufgebaut hat (ab B), baut sich das Kondensat ab (bis C) und ab D wird zeitnah genau so viel Kondensat abgeleitet, wie anfällt. Kondensatanfall Kondensatanstau A Ableitvermögen des Kondensatableiters Kondensatabbau B Aufheizzeit Kondensatdurchfluss durch den Ableiter Kondensatanfall CD Wenn kondensierender Wasserdampf einen Wasserfilm auf der Wärmetauscherfläche bildet, behindert das den Wärmeübergang. Je dicker der Film, desto schlechter der Wärmeübergang. Die Strömung ist nicht turbulent, denn der Wasserfilm kann nicht beschleunigt werden. Viel besser als ein Wasserfilm wäre reine Tröpfchenkondensation. Voraussetzung ist, dass die Tröpfchen schnell abfliessen können und – siehe vorhergehendes Kapitel – die Entwässerung gut funktioniert. Tendenziell sind daher stehende Wärmetauscher – sei es ein Rohrbündel oder ein Plattenapparat – einem liegenden Wärmetauscher in Bezug auf den Wärmeübergang überlegen. Eine gute Alternative sind Turflow Wärmetauscher (Geradrohrwärmetauscher), die zwar ebenfalls oft liegend eingesetzt werden, der Dampf aber gegenüber dem klassischen Rohrbündeltauscher im Mantel und nicht in den Rohren ist. Das entstehende Kondensat kann daher leichter von der Übertragerflächen abfliessen. Zeit Verlauf des Kondensatanfalls Wir empfehlen normalerweise, einen Kondensatableiter nicht zu groß zu wählen: das schont den Geldbeutel und ist auch besser für die Lebensdauer. Trotzdem wird – ausge- Spirax Sarco | 15 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher Aufbau einer Wärmetauscherentwässerung Wir haben schon gelernt, dass eine Wärmetauscherentwässerung nur funktioniert, wenn der Druck vor dem Kondensatableiter größer ist als nach dem Ableiter. Auch wenn es vielleicht witzig klingt, gibt es noch eine weitere Voraussetzung zur sicheren Wärmetauscherentwässerung: Das Kondensat muss überhaupt zum Kondensatableiter gelangen können! Dampf Zu kleiner Kondensatanschluss behindert Kondensatabfluss Kondensat Folgende Konstruktive Hinweise haben sich bewährt: • Die Kondensatleitung muss fallend verlegt werden •Der Kondensatableiter muss unterhalb des Wärmetauscherausgangs installiert sein; Erfahrungswert: 200 mm •Die Kondensatleitung vor dem Ableiter sollte möglichst etwas größer als der Rohrdurchmesser des Heizbündels sein, keinesfalls aber kleiner! Faustwert: Kondensatleitung gleiche Nennweite wie der (richtig dimensionierte) Kondensatableiter •Der Kondensatableiter ist möglichst nahe am Wärmetauscher zu installieren. Faustwert: 500-1000 mm. Wärmetauscher KugelschwimmerKondensatableiter Die Kondensatleitung vor dem Ableiter ist zu klein dimensioniert, es kommt zu hohem Druckverlust, die Entwässerungsleistung sinkt Dampf Zu kleine Kondensatleitung behindert Kondensatweiterleitung Dampf Kondensat Wärmetauscher Dampfpolster behindert Kondensatabfluss KugelschwimmerKondensat Kondensat Ist das Kondensatsystem bzw. die Kondensatleitungen nach dem Ablei- KugelschwimmerKondensatableiter Wärmetauscher ter zu klein dimensioniert, kommt es zu ungewolltem Druckaufbau, der Differenzdruck am Ableiter sinkt Wärmetauscher Durch Dampf- oder Luftblasen kommt das Kondensat nicht bis zum Dampf Kondensatableiter Kondensatausgang, Zuleitung zum Kondensatableiter und Weiterführung groß genug auslegen. Kondensatzuleitung fallend ausführen. Dampf ca. 500-1000 mm Kondensat ca. 200 mm Kondensatleitung und Wärmetauscher stehen voll Kondensat Kondensat Wärmetauscher KugelschwimmerKondensatableiter Optimaler Aufbau einer Entwässerung Der Ableiter ist über dem Ausgang des Wärmetauschers montiert: Das System steht bis zum Ableiter voller Wasser Zur richtigen Berechnung von Dampf- und Kondensatleitungen verweisen wir auf unsere „Grundlagen der Dampfund Kondensattechnologie“. 16 | Spirax Sarco 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher 3.2.5 Nicht kondensierbare Gase Thermischer Entlüfter Strömt – z. B. beim Anfahren einer Anlage – nicht Kondensat sondern Luft in den Ableiter, kann die Schwimmerkugel nicht aufschwimmen, sie ist ja schwerer als Luft. In diesem Fall tritt der separat eingebaute Entlüfter in Funktion: er öffnet ein weiteres Ventil so lange, bis heißer Dampf ansteht. Ohne Entlüfter würde ein Luftpolster im und vor dem Kondensatableiter das Zufließen von Kondensat behindern. Kondensat Ablauftrichter Dampftrockner Dampf und Kondensat Luft KugelschwimmerKondensatableiter Kondensatableiter Dampftrockner mit Entlüftung Blockade durch Lufteinschluss Schwimmerkugel Thermischer Entlüfter Entlüfter gleiche Nennweite Ablauftrichter ca. 500 mm Kondensatableiter zur Kondensatleitung Blindflansch Entlüftung und Entwässerung am Ende einer Dampfleitung Hauptventil Kugelschwimmer-Kondensatableiter mit Entlüfter Aber nicht nur im Kondensatableiter führen Luft – oder etwas allgemeiner „nicht kondensierbare Gase“ – zu unerwünschten Effekten. Auch Luft direkt im Wärmetauscher ist unerwünscht: 1.Selbst wenn die Luft so heiß wäre wie der Dampf: Dadurch dass sie nicht kondensiert, ist der Wärmeübergang wesentlich schlechter, die Leistung des Wärmetauschers ist vermindert. 2.Luft im Dampf führt zu einer Veränderung der Partialdrücke und damit zu einer Temperaturminderung. Beispiel: Sattdampf, 5 barü hat laut Dampftafel eine Temperatur von 158,8 °C. Ist in dem Dampf 10% Luft vorhanden, so beträgt der Partialdruck des Dampfes nur noch 5 barü ⋅ 90% = 4,5 barü. Das entspricht einer Temperatur von 155,5°C. Ist der Anteil der Luft auch noch schwankend, wird die Wärmetauscherregelung komplizierter und neigt ebenfalls zum Schwanken. Luft sollte daher aus dem Dampf entfernt werden, noch bevor sie in den Wärmetauscher eintreten kann – z. B. durch die Entlüftung des vor die Regelung geschalteten Trockners oder durch eine sinnvolle Entlüftung der Hauptdampfleitung. 3.3 Zwei Arten der Regelung Dampfbetriebene Wärmetauscher können auf zwei verschiedene Arten betrieben und geregelt werden: 1.Dampfseitige Regelung: Das Regelventil sitzt in der Dampfzuleitung und wird je nach Wärmebedarf mehr oder weniger geöffnet. Im Ausgang des Wärmetauschers wird ein Kondensatableiter oder ein Pump-Kondensat­ ableitsystem eingesetzt. 2.Kondensatseitige Regelung oder Anstauregelung: Das Regelventil sitzt im Ausgang des Wärmetauschers. Geregelt wird dabei nicht die Dampfzufuhr (Wärmezufuhr) sondern die zur Verfügung stehende Fläche. Das Regelventil selbst begrenzt den Kondensatablauf. 3.3.1 Dampfseitige Regelung Zum besseren Verständnis haben wir die einfachste Form einer dampfseitigen Regelung gezeichnet, in der industriellen Praxis sind weitere Armaturen sinnvoll wie z. B. Schmutzfänger, Schaugläser, Dampftrockner, Absperrventile. Zur Funktion der dampfseitigen Regelung werden aber nur diese Geräte benötigt: 1.Regelventil in der Dampfleitung (Eingang Primärseite) 2. Kondensatableiter (Ausgang Primärseite) Spirax Sarco | 17 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher 3. Temperaturfühler (Ausgang Sekundärseite) 4. Regelgerät 4 1 3 Dampf Primärseite Sekundärseite 2 gen werden so ausgeführt werden. Wichtigste Annahme für diese Berechnung war der Druckabfall von 10% und genau diese Annahme wollen wir einmal genauer unter die Lupe nehmen. Aus allen unseren vorherigen Kapiteln wissen wir, dass der Wärmetauscher keine magische Apparatur ist, die Energie erzeugt oder vernichtet. Die Energie, die in den Apparat hineingesteckt wird, ziehen wir auf der anderen Seite wieder ab (und ein paar Abstrahlverluste gibt es ja auch noch). Umgekehrt gilt aber auch, dass wir nur soviel Energie zuführen können, wie auf der anderen Seite benötigt wird. In unserem obigen Beispiel waren das 500 kW. Kondensat Wärmetauscher Dampfseitige Regelung Regelventil Selbst Fachleute legen das Regelventil für die Wärmetauscherregelung üblicherweise nach angenommenen „theoretischen“ Werten aus. Das liegt meist daran, dass der Fachmann für das Ventil nicht weiß, wie der Wärmetauscher wirklich ausgelegt ist. Auch wenn man diese Vorgehensweise nicht immer vermeiden kann: Die besseren Ergebnisse bezüglich Regelgüte, Lebensdauer and anderen Rahmenbedingungen erhält man, wenn Ventilauslegung und Wärmetauscherdimensionierung aus einer Hand erfolgen. Als Mindestdaten für das Regelventil müssend der Vordruck (Dampfdruck) und die Leistung des Wärmetauschers d.h. die maximale Dampfmenge bekannt sein. Der Fachmann geht dann im Volllastbetrieb üblicherweise von einem Druckabfall von 10% über das Regelventil aus. Beispiel: Gegeben: Dampfdruck 5 bar Wärmetauscherleistung 500 kW Zur Berechnung: Druckabfall 10% d.h. 0,5 bar Zur Verfügung stehender Druck: 4,5 bar Aus der Dampftafel: Wärmeinhalt ∆hv Dampf bei 4,5 bar = 2096 kJ/kg Betrachten wir noch einmal die Wärmetauschformel: Q = k • A • ∆T. Die Temperaturdifferenz hatten wir mit ∆T = TD – (T3+T4)/2 berechnet. T3 und T4 werden durch den Prozess oder durch die Heizungsanlage vorgegeben. Die Fläche A des Wärmetauschers ist unveränderlich und auch der k-Wert verändert sich nicht, da die Kondensation auf der Dampfseite und die Durchflussbedingungen auf der Sekundärseite gleich bleiben. Die einzige veränderliche Größe ist also die Dampftemperatur TD. Dampftemperatur und Dampfdruck sind bei Sattdampf aber einander genau zugeordnet. Die logische Schlussfolge dieser Überlegung mag Sie überraschen, sie kann jedoch in unserem Dampflabor am Wärmetauscherprüfstand praktisch nachgewiesen werden: Bei einem dampfseitig geregelten Wärmetauscher stellt sich die Temperatur und damit der Dampfdruck in Abhängigkeit von den Betriebsparametern ein. Aha, denkt jetzt der Fachmann, und warum brauche ich dann überhaupt noch ein Regelventil? „Eigentlich“ braucht man das Regelventil tatsächlich nicht. Nur wird der Druck im Wärmetauscher normalerweise – mindestens aber im Schwachlastbetrieb – kleiner als der Dampfdruck sein. Es muss zu einem Druckabfall kommen. Dass dies „kontrolliert“ und ohne Überhitzungen, extreme thermische Spannungen und andere Effekte erfolgen kann, dafür ist das Regelventil nötig. (In Klammern gesagt: Es gibt allerdings Anwendungen, in denen man tatsächlich auf das Ventil komplett verzichten kann). Damit ergibt sich rechnerisch ein kv-Wert von 19,93. Wir wählen den in der Standardbaureihe verfügbaren kvs-Wert von 25 aus. Die Ventilgröße wird entsprechend der Auslegung der Dampfleitung gewählt: DN 80 Für die Auslegung des Regelventils heißt das, dass der Druckabfall abhängig von den Temperaturen auf der Dampfseite und damit von den Dampfdrücken ist. Die Dampftemperaturen sind aber ganz wesentlich durch die Auslegung des Wärmetauschers bestimmt: Ist der Apparat größer dimensioniert (größere Fläche), ergeben sich niedrigere Dampftemperaturen und damit eine größerer Druckabfall. Ist der Apparat kleiner, muss die Dampftemperatur steigen während der Druckabfall am Regelventil kleiner wird. Noch einmal: DN80, kvs 25, mit diesem Ergebnis kann man den Wärmetauscher betreiben und die meisten Anla- Mit dieser Überlegung lassen sich Dampftemperatur und damit die Kondensattemperatur und die danach folgende ṁ = Q * 3600 / ∆hv = 500kW * 3600 / 2096 kJ/kg = 859 kg Dampf/h 18 | Spirax Sarco 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher Nachverdampfung im Kondensatsystem beeinflussen. Es lohnt sich also, die Dimensionierung des Wärmetauschers und die Auslegung des Regelventils sorgfältig aufeinander abzustimmen. •Das Regelventil sollte nicht größer als benötigt ausgelegt werden, da sonst bei Teillast nicht mehr genügend Hubweg des Ventilsitzes für eine genaue Regelung zur Verfügung steht. •Üblicherweise wird ein Ventil mit gleichprozentiger Regelcharakteristik gewählt. •Bei Anwendungen mit extremer Bandbreite kann es nötig sein, zwei Ventile einzusetzen: Ein Ventil mit kleinem kvs-Wert für den unteren Regelbereich (Teil- oder Niedriglast) und ein Ventil mit größerem kvs-Wert für den Volllastbereich. Aus Kostengründen und zur Verein­ fachung der Regelung wird man üblicherweise versuchen, einen solchen Aufbau zu umgehen. Regelventile für Dampf sind normalerweise metallisch dichtend, d.h. Ventilsitz und Regelkegel sind aus Metall. Ein solches Ventil wird immer eine kleine Undichtigkeit aufweisen (IEC 534-4), die im Laufe der Lebensdauer zunimmt. Geringe Mengen Dampf können also auch bei Anlagenstillstand durch das Ventil in den Wärmetauscher gelangen. Oft stört diese geringe Dampfmenge nicht, da die Umgebungsverluste des Wärmetauschers viel größer sind. Wo ein solch geringer Dampfschlupf aber keinesfalls erlaubt ist, muss ein zweites Ventil mit Weichdichtung als Absperrventil verwendet werden. Alternative für den Anlagenstillstand ist ein handbetätigtes Faltenbalg-Absperrventil. Bei geringen Dampfdrücken – d.h. geringen Temperaturen (Daumenwert: unter 2 barü) – kann auch das Regelventil weichdichtend ausgeführt werden. In diesem Fall ist mit höherem Wartungsaufwand zu rechnen; Erfahrungswert für den Austausch der Weichdichtung ist ca. ein Jahr (abhängig von den Einsatzbedingungen). Da Temperaturreglungen von Wärmetauschern relativ langsam sind, können sowohl pneumatisch als auch elektrisch betätigte Ventile eingesetzt werden. Kondensat 0,1 m Höhe = 0,1 bar Gegendruck Wärmetauscher Gegendruck durch die Art der Kondensatführung Als Vordruck wird der Dampfdruck abzüglich des Druckabfalls am Regelventil verwendet, d.h. im Extremfall 50% des ursprünglichen Dampfdrucks. Im Anfahrzustand ist der Druck im Dampfraum oft noch nicht auf dem gewünschten Wert, allerdings fällt dann ja auch aufgrund der niedrigeren Temperatur weniger Kondensat an. Die Konstruktion von Spirax Sarco-Kugelschwimmer-Kondensatableitern mit Entlüfter ist so ausgeführt, dass im Anfahrzustand das Entlüfterelement zusätzliche Ableitkapazität gewährleistet. Es reicht daher völlig aus, auf die maximalen Betriebsbedingungen auszulegen. Beispiel Gegeben sei ein Wärmetauscher, der 2000 kg/h Wasser bei einem Dampfdruck von 4 barü von 20 auf 80 °C erwärmt. Für den Wärmetauscher wird mit einem k-Wert von 5000 W/m2K gerechnet, der Gegendruck aus dem Kondensatnetz sei 0,8 barü. Der Druckabfall über das Regelventil beträgt 10%. Aus den o. g. Daten ergibt sich ein Leistungsbedarf von 140 kW. Ohne weitere Leistungsreserve wird eine Wärmetauscherfläche von 0,3 m2 benötigt, bei vollem Dampfdruck 4 bar d.h. 3,6 barü nach dem Regelventil. Leistungsbedarf Q = ṁ ∙ cp • Δϑ = 2000 Kondensatableiter In Kapitel 3.2.3 haben wir uns bereits ausführlich mit der Entwässerung beschäftigt so dass wir an dieser Stelle lediglich betonen wollen: Erste Wahl für die Entwässerung dampfseitig geregelter Wärmetauscher sind Kugelschwimmer-Kondensatableiter. Der Kondensatableiter wird auf die maximale Leistung plus 30 % Reserve, d.h. die maximal anfallende Kondensatmenge ausgelegt. Viel interessanter ist aber die Frage, bei welchem Differenzdruck diese Auslegung erfolgt. Ist der Gegendruck aus dem Kondensatnetz unbekannt, wird von mindestens 0,5 barü Gegendruck ausgegangen. Eventuell ansteigende Kondensatleitungen werden mit der entsprechenden geodätischen Höhe berücksichtigt. = 502800 kg kJ • 4,19 • 60K h kg • K kg = 140 kW h Wärmetauscher Q = k ∙ A ∙ ∆T = k ∙ A ∙ (TD - T1 + T2 ) 2 = 5000 W/m²K ∙ 0,3 m² ∙ (TD - 50 °C) Spirax Sarco | 19 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher Dampfdruck [barü] 0,5 0,9 1 1,5 2 Druckabfall Regelventil [bar] 0,05 0,09 0,1 0,15 0,2 4 0,4 Druck im WT [barü] 0,45 0,81 0,9 1,35 1,8 3,6 Dampftemperatur [°C] 110 117 118,6 123,3 131 148,7 Enthalpie [kJ/kg.K] 2226 2211 2201 2181 2163 2107 Gegendruck [barü] 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 Differenzdruck [bar] -0,35 0,01 0,1 0,55 1 2,8 Geforderte Leistung zur Wassererwärmung [kW] 140 140 140 140 140 140 Maximale Leistung [kW], A=0,3m2 90 101 103 110 122 148 Kondensatanfall [kg/h] ], A=0,3m2 146 164 168 181 202 239 Kondensatanfall [kg/h] ], A=0,5m2 226 228 229 231 233 239 2 150 168 172 183 203 247 243 273 281 302 337 422 Maximale Leistung [kW], A=0,5m Kondensatanfall [kg/h] bei max. Leistung Der erste Teil der Tabelle zeigt, dass mit 0,3 m2 Wärmetauscherfläche bei 4 barü (effektiv 3,6 barü ) die geforderte Leistung von 140 kW erbracht wird, nicht jedoch bei niedrigeren Drücken im Anfahrbetrieb. Aus der unten stehenden Grafik wird ein FT14-Kondensatableiter ½“ gewählt, der bei einem Differenzdruck von 2,8 bar die Entwässerung von 239 kg/h Kondensat bewerkstelligt (Maximalleistung 400 kg/h). Bei Dampfdrücken unter 1 barü werden die Differenzdrücke Null bzw. negativ: Eine Entwässerung des Wärmetauschers findet nicht statt, die Anlage kommt unter diesen Bedingungen nie auf Leistung. Übrigens hilft auch der Einsatz eines Vakuumbrechers nicht. Dieser Effekt wird Rückstau genannt und kann derart störend sein, dass wir ihm ein extra Kapitel (3.3.1.2) gewidmet haben. Eine gesicherte Entwässerung durch den ausgewählten Ableiter ist erst ab einem Differenzdruck von ca. 1,5 bar gegeben (Ableiterleistung ca. 210 kg/h). Soll die Entwässerung bereits ab 1 barü Dampfdruck, d.h. 0,1 bar Differenzdruck gewährleistet sein, ist der Ableiter in Größe 1“ zu wählen (300 kg/h Siedekondensat bei 0,1 bar Differenzdruck). In unserem Beispiel ist bei Drücken bis knapp unter 0,8 barü der Differenzdruck am Kondensatableiter kleiner Null: Das bewirkt der Gegendruck im Kondensatnetz. Unter diesen Umständen funktioniert die Entwässerung also nicht mehr. Hat der Wärmetauscher seine volle Leistung erreicht, stört das nicht mehr. Bei Teillastbetrieb und damit kleinen Dampfdrücken/Dampftemperaturen kann es jedoch zu Kondensatrückstau kommen. Bei 0,5 barü Dampfdruck fallen pro Stunde 1390 kg Kondensat an, die nicht abgeleitet werden! Dieser Effekt kann derart störend sein, dass wir ihm ein extra Kapitel (3.3.1.2) gewidmet haben. Das Auslegungsdiagramm eines FT14-Kugelschwimmer-Kondensatableiters. Soll die Leistung von 140 kW auch bei niedrigeren Dampfdrücken sofort zur Verfügung stehen, muss die Fläche auf 0,5 m2 vergrößert werden. Der gewählte KugelschwimmerKondensatableiter in Nennweite ½“ ist für den Auslegungspunkt (4 barü Dampfdruck, 2,8 bar Differenzdruck) immer noch richtig gewählt. Der Wärmetauscher ist jetzt generell überdimensioniert und könnte bei 4 bar Dampfdruck eine Leistung von 247 kW erbringen (Kondensatanfall 422 kg/h), die Leistung des ausgewählten Kondensatableiters ist für diese Leistung gerade nicht mehr ausreichend (max. 400 kg/h). Es muss, auch bei Dampfdrücken unter 2 barü (Differenzdruck 1 bar), der nächstgrößere Ableiter gewählt werden. 20 | Spirax Sarco Temperaturfühler Aufgabe des Wärmetauschers ist es, das Sekundärmedium zu erhitzen. Der vorhandene Temperaturwert im Ausgang des Sekundärmediums wird gemessen und mit dem gewünschten Sollwert verglichen. Für den Einbau des Temperaturfühlers sind einige Hinweise zu beachten: •Der Temperaturfühler muss so tief im Sekundärmedium eintauchen, dass er ausschließlich die Mediumstemperatur misst und nicht durch die Umgebungsbedingungen beeinflusst wird. •Um Verfälschungen zu vermeiden, sollte die Messstelle nicht zu weit vom Wärmetauscher entfernt sein; Faustwert: max. 500 mm. •Wird der Temperaturfühler in einen Rohrbogen eingebaut, ist darauf zu achten, dass das Medium gegen den 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher Fühler strömt, nicht von ihm weg (Totraum mit Temperaturverschleppung vermeiden). •Besonders kompakte Wärmetauscher, wie z. B. Platten­ wärmetrauscher reagieren sehr schnell. Der Temperaturfühler sollte ebenfalls schnell auf Temperaturänderungen reagieren, um eine passende Regelung ohne zuviel Überschwingen zu ermöglichen. Schutzrohre von Temperaturfühlern sind unbedingt mit Wärmeleitpaste zu füllen. •Kompakte Wärmetauscher enthalten beim Abschalten oder Herunterfahren noch viel Restenergie, die im Extremfall zu Nachheizeffekten führen kann. Der Tempera­ turfühler sollte daher zwar nahe, aber nicht zu nahe am Wärmetauscher installiert sein; ist eine Zwangsumwäl­ zung vorhanden, sitzt der Fühler nach dem Mischpunkt. Druckluft Dampf Primärseite Sekundärseite Kondensat Wärmetauscher Pneumatische Temperaturregelung Druckluft Dampf Einbau des Temperaturfühlers: - gut umspült - tief genug eingetaucht - an repräsentativer Stelle Primärseite Sekundärseite Kondensat Wärmetauscher Richtiger Einbau des Temperaturfühlers Regelgerät Sollwert und Istwert werden im Regelgerät miteinander verglichen. Die Differenz führt zu einem Stellsignal (4...20mA, 0,2...1 bar), das zu einer Veränderung der Stellung des Regelventils führt. Temperaturregelungen sind relativ langsam, so dass elektrisch betriebene Stellventile eingesetzt werden können (im Gegensatz zu Druckregelungen). Tatsächlich ist aber auch bei Temperaturregelungen die Lebensdauer eines pneumatischen Antriebs größer. Auch pneumatische Stellventile können, über elektropneumatische Stellungsregler, elektrisch angesteuert werden. Elektropneumatische Temperaturregelung 3.3.1.1 Sicherheitstemperaturregelung Für Heizungsanwendungen gemäß DIN 12828 muss neben dem Regelventil zwingend ein weiteres Ventil als Übertemperatursicherung eingesetzt werden. Dieses Auf-/Zu-Ventil wird üblicherweise separat angesteuert und ist im Störfall oft so verriegelt, dass es vom Anwender manuell wieder frei gegeben werden muss. Die Ansteuerung kann sowohl direkt vom Sensor erfolgen als auch in Kombination mit dem elektronischen Regler. Druckluft Dampf Dampf Primärseite Regelventil Kondensat Kondensat Wärmetauscher Elektrische Temperaturregelung Sicherheitstemperaturbegrenzung Sekundärseite Wärmetauscher Wärmeübergabestation mit Sicherheitstemperaturschaltung Spirax Sarco | 21 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher 3.3.1.2 Kondensatrückstau Auch wenn’s langsam langweilig wird: •Kondensat muss schnell aus dem Wärmetauscher entfernt werden •und dazu ist ein Differenzdruck am Kondensatableiter nötig. Nur wenn der Druck vor dem Ableiter größer ist als nach dem Ableiter, funktioniert die Entwässerung richtig. Tatsächlich herrscht am Ausgang des Wärmetauschers immer Druck, • entweder lediglich der Luftdruck, ca. 1 barabs • oder Gegendruck aus dem Kondensatnetz. Wird vom Wärmetauscher wenig Leistung abgefordert, reduziert das Regelventil die Dampfzufuhr. Gleichzeitig kondensiert der Dampf im Wärmetauscher weiterhin und diese Kondensation geht mit einer starken Volumenverringerung einher. (Dampf hat bei 5 bar ca. das 375-fache Volumen des Kondensats, bei 1 bar das 1700-fache Volumen). Weitere Kondensation und reduzierte Dampfzufuhr führen zu einem starken Druckrückgang im Wärmetauscher. Bei einem System mit freiem Auslauf wird die Entwässerung funktionieren, solange überhaupt noch (auch geringer) Überdruck im Apparat vorhanden ist. Die Ableiteleistung des Kondensatableiters ist jedoch stark verringert. Schließt das Regelventil im Schwachlastbetrieb immer weiter, kann es sogar zu Vakuumbedingungen im Wärmetauscher kommen. Um dann überhaupt noch den Ausfluss von Kondensat zu gewährleisten, wird üblicherweise ein Vakuumbrecher eingesetzt. Vakuumbrecher Dampf Primärseite Sekundärseite Kondensat Wärmetauscher Einsatz eines Vakuumbrechers Ist der Ausgang des Wärmetauschers an ein Kondensatnetz angeschlossen, ist immer mit mindestens 0,5 bar Gegendruck zu rechnen. In der Praxis ist der Gegendruck jedoch oft signifikant größer, z. B. weil die Kondensatleitung nach oben geführt ist oder weil sie weite Strecken überwinden muss. Gegendruck entsteht auch durch die Nachverdampfung von Kondensat: Kondensat verlässt den Wärmetauscher heiß. Nach dem Kondensatableiter ist der Druck jedoch geringer als der Druck, der laut Wasserdampftafel zu dieser Temperatur gehört. Es ist also zuviel Energie vorhan- 22 | Spirax Sarco den, die wieder einen Teil des Kondensats (Nachdampf) verdampft. Die Volumenvergrößerung dabei führt zu höherem Druck im Kondensatnetz. Bei der korrekten Auslegung von Kondensatleitungen nach unserem Auslegungsdiagramm ist das bereits berücksichtigt. Beispiel: Bei einem Kondensatanfall von 500 kg/h aus einem Dampfraum mit 5 bar entstehen 11% Nachdampf, d.h. 55 kg/h. Das Volumen von Dampf ist wesentlich höher als das Wasservolumen. Durch die Nachverdampfung erhält man ein Gemisch von 445 l/h Wasser und 93.000 l/h Dampf. Volumenmäßig liegt also viel mehr Dampf als Flüssigkeit vor! Gegendruck durch Leitungsführung Kondensat Gegendruck durch geostatische Höhe Gegendruck durch Nachverdampfung Wärmetauscher Entstehung von Gegendruck Rufen wir uns noch einmal ins Gedächtnis zurück, dass immer eine Druckdifferenz benötigt wird, um Kondensat durch den Kondensatableiter zu drücken. Jetzt wird deutlich, dass es zu einem Kondensatrückstau im Wärmetauscher kommt, sobald der Druck im Wärmetauscher nur noch so groß oder sogar kleiner ist, als der Druck im Kondensatnetz. In unserem Beispiel in Kapitel 3.3.1 beginnt der Rückstau bei einem Dampfdruck von 0,8 barü im Wärmetauscher. Rückstau aber heißt: •Kondensat staut in den Wärmetauscher zurück •Die Temperaturregelung wird instabiler, da die Flächenänderung durch das Kondensat als Störgröße in den Regelkreis eingreift •Es kommt zu vermehrter Geräuschbildung, da heißer Dampf auf kühlerem Kondensat implodiert •Die Implosionseffekte können so hohe Druckspitzen auslösen, dass es zu Materialbeschädigungen kommt •An der Grenzfläche zwischen Kondensat und Dampf kommt es zu erhöhter Korrosion; in der Praxis stellt man immer wieder an den gleichen Stellen im Wärmetauscher Korrosionsrisse fest. Rückstau und seine negativen Auswirkungen können in der technischen Praxis sehr gut beherrscht werden. Bevor wir uns aber mit der Lösung des Problems befassen, wollen wir uns der Frage widmen, wann Rückstau auftritt. Berechnung des Rückstaupunktes Der Rückstaupunkt kann sowohl berechnet als auch zeichnerisch ermittelt werden. Es sind dabei zwei grundsätzliche Fälle zu unterscheiden: 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher • Kondensatrückstau bei veränderlichem Durchfluss •Kondensatrückstau bei veränderlicher Rücklauftemperatur Veränderlicher Durchfluss Durchfluss ist verbrauchsabhängig T3 ist vorgegeben T4 bleibt konstant Wärmetauscher Wärmeabgabe FS = T3 wird geregelt Wärmetauscher Wärmeabgabe Umwälzpumpe mit konstantem Durchfluss / konstanter Drehzahl Mit veränderlichem Durchfluss meinen wir Anlagen, bei denen der Massenstrom des Sekundärmediums durch den Wärmetauscher hindurch verändert wird, z. B. durch den Einsatz einer drehzahlgeregelten Pumpe oder einfach dadurch, dass Verbraucher zu- oder abgeschaltet werden. Die Veränderung des Sekundärflusses bedeutet nämlich, dass der Energiefluss im Wärmetauscher bei einer vorgegebenen Ausgangstemperatur T4 verändert werden muss: Q1 = Q2 ṁ 1 ⋅ ∆hv = ṁ 2 ⋅ cp2 ⋅ ∆T Sinkt m2 , so wird auch weniger Dampf m1 benötigt, um die Temperaturerhöhung ∆T zu erreichen. Typische Anwendungen sind z. B. Anlagen, in denen Brauchwasser zu Reinigungszwecken erhitzt wird. Bei veränderlicher Rücklauftemperatur geht man davon aus, dass der Durchfluss des Sekundärmediums konstant bleibt, sich aber die Rücklauftemperatur T3 verändert. Eine solche Veränderung führt zwangsläufig auch zu einer Veränderung des Dampfbedarfs: Das Regelventil verändert den Durchfluss und damit den Druck im Wärmetauscher. Das ist ganz typisch für Verbraucher, die weniger Energiebedarf haben. Das kann z. B. bei Heizungsanlagen in der wärmeren Jahreszeit der Fall sein oder prozessbedingt erfolgen: Nach dem ersten Aufheizen eines Volumens muss im nächsten Schritt die Temperatur nur noch gehalten werden. Typisch ist dies z. B. für die Vorratstanks der CIP-Reinigung, bei Behandlungsbädern in der metallverarbeitenden Industrie oder bei Flaschenwaschmaschinen. Q1 = Q 2 ṁ 1 • ∆hV = (T3 + T4) ṁ 2 • cp2 • ∆T = ṁ 2 • cp2 • (TD ) 2 Rückstau tritt dann auf, wenn der Druck aus dem Kondensatnetz so groß oder größer ist als im Wärmetauscher. Anstelle der Drücke kann man auch die Temperaturen verwenden, denn schließlich gehört zu jedem Dampfdruck eine genau definierte Temperatur. Rückstau tritt demnach dann auf, wenn die Temperatur TD im Wärmetauscher der zum Druck des Kondensatnetzes gehörigen Dampftemperatur Tk entspricht. Wir berechnen das Verhältnis, ab welchem Rückstau auftritt. Dieser Rückstauwert berechnet sich so: Veränderliche Rücklauftemperatur T4 T4 ändert sich Kondensatrückstau bei veränderlichem Durchfluss pK pDmax = (Tk (TDmax - T3 + T4 2 T3 + T4 2 ) ) Aus der Formel ist ersichtlich, dass FS einen Wert zwischen 0 und 1 annehmen kann. 0 bedeutet „kein Rückstau“, 1 bedeutet „voller Rückstau“. Der Rückstau im Wärmetauscher tritt dann auf, wenn der Durchfluss des Sekundärmediums auf einen Wert von FS ⋅ ṁ 2max oder weniger abgesunken ist. Durchfluss bei Rückstau: ṁ 2 < = Fs ⋅ ṁ 2max Beispiel: Ein Wärmetauscher soll 14,4 m3 Wasser pro Stunde von 30°C auf 90°C erwärmen. Dafür stehen 4 barü Dampf zur Verfügung. Die erste Frage, die wir beantworten müssen, ist, wie viel Druck im Wärmetauscher wirklich ansteht. Man könnte jetzt über den Druckabfall über das Regelventil spekulieren. Für unser Beispiel wollen wir uns der Frage etwas ingenieurmäßiger nähern. Benötigter Energiebedarf (Verluste ausgeklammert): Q = m ⋅ cp ⋅ ∆T = 14400kg ⋅ 4,186 kJ/kgK ⋅ 60K = 1004,6 kW Wir haben einen Wärmetauscher mit 2,6 m2 Wärmeübertragerfläche und einem Wärmeduchgangskoeffizienten von 7,450 kW/m2⋅K ausgewählt. Für die mittlere Temperaturdifferenz im Wärmetauscher ergibt sich somit ∆Tm = 1004,6 kW Q (k ∙ A) = = 51,9 K 7450 kW kW m² ∙ K ∙ 2,6 m2 Die Dampftemperatur berechnet sich aus ∆Tm = TD - (T3 + T4) 2 Spirax Sarco | 23 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher 2 = 112°C 112°C entspricht einem Dampfdruck von ca. 0,55 barü! Das heißt, obwohl 4 barü Dampf zur Verfügung stehen, benötigt der Wärmetauscher nur 0,55 barü zum Betrieb an seinem Auslegungs-Betriebspunkt! Ein erstaunliches Ergebnis. Und wenn wir die Formeln noch mal genau betrachten, stellen wir fest, dass außer den Betriebsdaten (Temperaturen) und den Wärmetauscherdaten (Fläche und Wärmedurchgangskoeffizient) keine weiteren Parameter in die Berechnung eingehen. Wir können daher auch formulieren: Für einen gegebenen Betriebspunkt und einen vorgegebenen Wärmetauscher ergibt sich ein klar definierter Dampfdruck. Doch weiter in der Berechnung des Staupunktes. Gehen wir davon aus, dass der Wärmetauscher ins Freie entwässert, d.h. 0 barü Gegendruck bzw. 1 bar Absolutdruck. 1 bar Absolutdruck entspricht einer Verdampfungstemperatur von 100°C. Anders gesprochen: Das Kondensat im Ausgang des Wärmetauschers wird 100°C heiß sein. Für den Rückstauwert ergibt sich 2 (TDmax (100°C = (112°C - T3 + T4 2 11,6 9,0 7,0 5,2 ) 3,8 2,6 ) 30°C +90°C 2 30°C +90°C 2 14, 5 1,7 ) = ) 40°C 52 °C = 0,77 1,0 1 7 Grafische Ermittlung des Rückstaupunktes bei veränderlichem Durchfluss Die Ermittlung des Rückstaupunktes kann auch grafisch mit Hilfe des Rückstaudiagramms vorgenommen werden. Wenn Sie sich das Diagramm und seine Achsen betrachten, sehen Sie, dass lediglich physikalische Werte aufgetragen sind. Das Rückstaudiagramm gilt also generell, d.h. für alle Wärmetauschertypen und für alle Hersteller! 24 | Spirax Sarco 0,3 4 Eintrittstemperatur Sekundärmedium 0,7 0,5 8 6 Wieder in Worten ausgedrückt: Der gewählte Wärmetauscher funktioniert an seinem Auslegungspunkt (30/90°C, 14,4 m3/h) wie gewünscht. Sinkt aber die benötigte Wassermenge auf 11,01 m3/h oder kleiner, wird weniger Leistung des Wärmetauschers benötigt, das Regelventil schließt und es kommt zu Rückstau und allen o.g. negativen Effekten. Unterhalb von 77% Durchfluss-Leistung kommt es zu Problemen! Ein erstaunliches Ergebnis. 0,0 3 Rückstau in den Wärmetauscher tritt bei folgendem Durchfluss auf: 3 3 ṁ 2 < = Fs ⋅ ṁ 2max = 0,77 ⋅ 14,4m /h = 11 m /h 0,4 5 Überdruck [bar] FS = TK - T3 + T4 (Tk - 1.Markieren Sie die Volllasttemperatur auf der linken senkrechten Achse (der zugehörige Druck ist auf der rechten Achse aufgetragen). Für unser Beispiel war die berechnete Volllasttemperatur 112°C. 2.Markieren Sie die Rücklauftemperatur, hier 30°C. 3. Markieren Sie die Vorlauftemperatur (90°C). 4. Verbinden Sie 2 und 3. 5.Zeichnen Sie die Gegendrucklinie (0 barü = 1 barabs = 100°C) ein. 6.Geregelt wird auf die mittlere Temperaturdifferenz (50%). An dieser Stelle wird eine Senkrechte gezogen bis zur Linie 4. Die Waagerechte vom Schnittpunkt ergibt den Regeldruck bzw. die Regeltemperatur. 7.Verbinden Sie die Auslegungstemperatur (112°C) mit dem Regeldruck (0,2 barabs = 60°C). 8.Der Schnittpunkt zwischen Linie 7 und dem Gegendruck ergibt den Staupunkt. Auf der waagerechten Achse kann man dazu 77% ablesen. Gegendruck Kondensatleitung (30°C + 90 °C) 2 Last des Wärmetauschers [%] Rückstauermittlung bei veränderlichem Durchfluss 0,2 Austrittstemperatur Sekundärmedium 2 = 51,9°C + Max. Dampftemperatur (T3 + T4) Temperatur [°C] TD = ∆Tm + 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher Kondensatrückstau bei veränderlicher Rücklauftem­peratur Rückstau tritt dann auf, wenn der Druck aus dem Kondensatnetz so groß oder größer ist als im Wärmetauscher. Anstelle der Drücke kann man auch die Temperaturen verwenden, denn schließlich gehört zu jedem Dampfdruck eine genau definierte Temperatur. Rückstau tritt demnach dann auf, wenn die Temperatur im Wärmetauscher der zum Druck des Kondensatnetzes gehörigen Dampftemperatur entspricht. Wir berechnen das Verhältnis, ab dem Rückstau auftritt. Dieser Rückstauwert berechnet sich so: FS = pK = pDmax (Tk - T4) (TDmax - T4) Aus der Formel ist ersichtlich, dass FS einen Wert zwischen 0 und 1 annehmen kann. 0 bedeutet „kein Rückstau“, 1 bedeutet „voller Rückstau“. Der Rückstau in den Wärmetauscher tritt dann auf, wenn der Durchfluss des Sekundärmediums auf einen Wert von FS ⋅ m2max oder weniger abgesunken ist. TD = ∆Tm + Wir haben einen Wärmetauscher mit 2,6m2 Wärmeübertragerfläche und einem Wärmeduchgangskoeffizienten von 7,450 kW/m2⋅K ausgewählt. Für die mittlere Temperaturdifferenz im Wärmetauscher ergibt sich somit ∆Tm= Q (k ∙ A) = 1004,6k W kW 7450 2 ∙ 2,6 m² m ∙ K2 Die Dampftemperatur berechnet sich aus ∆Tm = TD - (T3 + T4) 2 = 51,9 K = 51,9°C + (30°C + 90 °C) 2 = 112°C Doch weiter in der Berechnung des Staupunktes, im Unterschied zum vorherigen Beispiel jetzt für veränderliche Rücklauftemperatur. Gehen wir davon aus, dass der Wärmetauscher ins Freie entwässert d.h. 0 barü Gegendruck bzw. 1 bar Absolutdruck. 1 bar Absolutdruck entspricht einer Verdampfungstemperatur von 100°C. Anders gesprochen: das Kondensat im Ausgang des Wärmetauschers wird 100°C heiß sein. Für den Rückstauwert ergibt sich FS = Benötigter Energiebedarf (Verluste ausgeklammert): Q = ṁ ⋅ cp ⋅ ∆T = 14400 kg ⋅ 4,186 kJ/kgK ⋅ 60 K = 1004,6 kW 2 112°C entspricht einem Dampfdruck von ca. 0,55 barü! Das heißt, obwohl 4 barü Dampf zur Verfügung stehen, benötigt der Wärmetauscher nur 0,55 barü zum Betrieb an seinen Auslegungs-Betriebsbedingungen! Ein erstaunliches Ergebnis. Und wenn wir die Formeln nochmals genau betrachten, stellen wir fest, dass außer den Betriebsdaten (Temperaturen) und den Wärmetauscherdaten (Fläche und Wärmeduchgangskoeffizient) keine weiteren Parameter in die Berechnung eingehen. Wir können daher wieder formulieren: Für einen gegebenen Betriebspunkt und einen vorgegebenen Wärmetauscher ergibt sich ein klar definierter Dampfdruck. Rücklauftemperatur bei Rückstau: T3 < = T4 – (Fs ⋅ ∆T) Beispiel: Der erste Teil dieses Beispiels ist genau gleich wie im vorhergehenden Beispiel. Ein Wärmetauscher soll 14,4 m3 Wasser pro Stunde von 30°C auf 90°C erwärmen. Dafür stehen 4 barü Dampf zur Verfügung. Die erste Frage, die wir beantworten müssen, ist, wie viel Druck im Wärmetauscher wirklich ansteht. Man könnte jetzt über den Druckabfall über das Regelventil spekulieren. Für unser Beispiel wollen wir uns der Frage etwas ingenieurmäßiger nähern. (T3 + T4) (Tk - T4) (TDmax - T4) = (100°C – 90°C ) (112°C – 30°C ) = 10°C 22°C = 0,45 Rückstau in den Wärmetauscher tritt auf bei folgender Rücklauftemperatur: T3 ≤ T4 – (Fs ⋅ ∆T) = 90°C – (0,45 ⋅ (90-30°C)) = 63°C Wieder in Worten ausgedrückt: der gewählte Wärmetauscher funktioniert an seinem Auslegungspunkt (30/90°C, 14,4 m3/h) wie gewünscht. Steigt aber die Rücklauftemperatur auf 63°C oder höher, wird weniger Leistung des Wärmetauschers benötigt, das Regelventil schließt und es kommt zum Rückstau und allen o.g. negativen Effekten. Unterhalb von 45% Leistung bzw. 63 °C Rücklauftemperatur kommt es zu Problemen!!! Ein erstaunliches Ergebnis. Grafische Ermittlung des Rückstaupunktes bei veränderlicher Rücklauftemperatur Die Ermittlung des Rückstaupunktes kann auch grafisch mit Hilfe des Rückstaudiagramms vorgenommen werden. Wenn Sie sich das Diagramm und seine Achsen betrachten, sehen Sie, dass lediglich physikalische Werte aufgetragen sind. Das Rückstaudiagramm gilt also generell, d.h. für alle Wärmetauschertypen und für alle Hersteller! 1.Markieren Sie die Volllasttemperatur auf der linken senkrechten Achse (der zugehörige Druck ist auf der rechten Achse aufgetragen). Für unser Beispiel war die berechnete Volllasttemperatur 112°C. 2. Markieren Sie die Rücklauftemperatur, hier 30°C. Spirax Sarco | 25 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher 14, 5 Max. Dampftemperatur 11,6 9,0 7,0 5,2 Gegendruck Kondensatleitung 3. Markieren Sie die Vorlauftemperatur (90°C). 4. Verbinden Sie 1 und 3 5. Verbinden Sie 2 und 3 6.Zeichnen Sie die Gegendrucklinie (0 barabs = 1 barü = 100°C) ein. 7.Der Schnittpunkt zwischen Linie 4 und dem Gegendruck ergibt den Staupunkt. Auf der waagerechten Achse kann man dazu 45% ablesen. Auf der senkrechten Temperatur­ achse, am Schnittpunkt mit Linie 5, erhält man die Vorlauftemperatur bei der Rückstau eintritt zu 63 °C. 3,8 2,6 1,0 1 7 0,4 6 4 3 0,0 0,7 Überdruck [bar] Temperatur [°C] 1,7 Lösung des Rückstauproblems Die beiden vorangegangenen Unterkapitel haben gezeigt, dass Rückstau bei jedem dampfseitig geregelten Wärmetauscher auftreten kann, unabhängig von Bauart und Fabrikat. Viele Anwender glauben, sie könnten das Rückstauproblem beseitigen, indem sie einen Vakuumbrecher einsetzen. Ein Vakuumbrecher kann aber nur Atmosphärenbedingungen schaffen, d.h. 0 barü bzw. 1 barabs. Genau das haben wir in unseren vorhergehenden Beispielen berücksichtigt. Ohne Vakuumbrecher, d.h. bei höherem Gegendruck tritt der Kondensatrückstau noch früher ein! Technisch lässt sich das Rückstauproblem durch den Einsatz einer Pumpe in einem geschlossenen System mit dem Wärmetauscher beseitigen. Diese Art der Installation ist auch als „Druck-Vakuum-Betrieb“ bekannt. Bei heißem Kondensat bieten sich mechanische Systeme an, so wie wir sie in den folgenden Erläuterungen gezeichnet haben. Elektrische Systeme erfordern eine relativ großen, steuerungstechnischen Aufwand und werden meist vermieden. 0,5 5 Dampf 0,3 Austrittstemperatur Sekundärmedium Eintrittstemperatur Sekundärmedium 0,2 2 Sekundärseite Entlüftung Treibdampfentwässerung Wärmetauscher Last des Wärmetauschers [%] Kondensat Pumpe Rückschlagventil Rückstauermittlung bei veränderlicher Rücklauftemperatur Pumpe im Druck-Vakuumbetrieb Die Pumpe ist so an den Wärmetauscher angeschlossen, dass Kondensat frei zufließen kann. Die Pumpe ist hydrostatisch immer unterhalb des Wärmetauscher-Ausgangs zu installieren! Die Pendelleitung zwischen Pumpenentlüftung und Dampfanschluss sorgt dafür, dass im Rohrsystem Wärmetauscher-Pumpe immer derselbe Druck herrscht und somit kein Druckpolster den Kondensatfluss behindert. Der Entlüfter ist im Niveau über dem Kondensatauslass des Wärmetauschers zu installieren. Mechanische Pumpen arbeiten diskontinuierlich, d.h. erst wenn die Pumpe gefüllt ist, wird umgeschaltet, die Entlüftungsleitung schließt, Treibdampf wird aufgegeben und drückt das Kondensat aus dem System. Rückschlagventile vor und nach der Pumpe verhindern Rückfluss. Während des Pumpvorganges kann kein Kondensat in die Pumpe fließen. Für diesen kurzen Zeitraum ist ein Puffervolumen (separater Behälter oder entsprechend dimensioniertes Rohrstück) vorgesehen. 26 | Spirax Sarco 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher 3.3.2 Kondensatseitige Regelung Die kondensatseitige Regelung wird auch Anstauregelung genannt, denn hier wird bewusst Kondensat in den Wärmetauscher zurück gestaut. Zum besseren Verständnis haben wir auch hier die einfachste Form einer kondensatseitigen Regelung gezeichnet, in der industriellen Praxis sind weitere Armaturen sinnvoll wie z. B. Schmutzfänger, Schaugläser, Dampftrockner, Absperrventile. Zur Funktion der dampfseitigen Regelung werden aber nur diese Geräte benötigt: 1.Regelventil in der Kondensatleitung (Ausgang Primärseite) 2. Kondensatableiter (Ausgang Primärseite) 3. Temperaturfühler (Ausgang Sekundärseite) 4. Regelgerät Mechanische Pumpe MFP Der Kondensatableiter nach der Pumpe sorgt für klare Druckverhältnisse im System und verhindert Dampfverlust. Für etwas kleinere Leistungen bietet sich der sehr kompakte Pump-Kondensatableiter an. Er kombiniert mechanische Pumpe und Kondensatableiter, die Funktion ist genau die gleiche. Dampf Sekundärseite Rücklauf Dampf Kondensat Sekundärseite Entlüftung Treibdampfentwässerung Wärmetauscher Kondensat PumpKondensatableiter Entwässerung mit Pump-Kondensatableiter Wärmetauscher Kondensatseitige Regelung Vergegenwärtigen wir uns noch einmal die Formel für den Wärmetransfer: Q = k ⋅ A ⋅ ∆Tm Bei der kondensatseitigen Regelung wird die Fläche A als Regelgröße benutzt, sie wird durch den Anstau verändert. Ein Teil der Fläche des Wärmetauschers ist also mit Kondensat bedeckt. Es steht immer voller Dampfdruck und damit volle Dampftemperatur an. Der Durchfluss des Kondensats und damit die bedeckte Fläche wird durch ein Regelventil im Ausgang des Wärmetauschers geregelt. Das austretende Kondensat wird sozusagen vom Rücklauf des Sekundärmediums gekühlt. Das Kondensat weist somit eine Temperatur auf, die zwischen Rücklauftemperatur und Dampftemperatur liegt. Bei der kondensatseitigen Regelung kann man den Wärmetauscher auch in zwei Zonen einteilen: •den Dampfwärmetauscher, der immer unter vollem Druck und voller Temperatur arbeitet und den •Kondensatkühler, der unter gleichem Druck wie der Dampf steht, jedoch unterkühltes Kondensat enthält. Pump-Kondensatableiter APT Spirax Sarco | 27 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher Dampf Af Sekundärseite Ab Kondensat Wärmetauscher Flächenaufteilung bei der Anstauregelung Bei der Beschreibung des Arbeitszustandes bzw. bei der Auslegung des Wärmetauschers spricht man von der Flächenreserve: Kondensatableiter Bei der kondensatseitigen Regelung wird der Kondensatableiter nicht zu seiner ursprünglichen Aufgabe – der Trennung von Dampf- und Kondensat – eingesetzt, denn den Kondensatfluss regelt ja bereits das Regelventil. Der Kondensatableiter dient lediglich als Sicherheitsorgan und verhindert im Extremfall, d.h. bei voll geöffnetem Regelventil und gleichzeitig leerem Wärmetauscher, das Durchtreten von Dampf. Dampfdurchtritt würde Energieverluste bedeuten und außer­ dem durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit zusammen mit Wasserresten zu Erosion im Regelventil führen. Der Kondensatableiter wird auf die maximale Leistung, d.h. die maximal anfallende Kondensatmenge, ausgelegt. Der Differenzdruck spielt normalerweise keine Rolle, da vor dem Ableiter ja der volle Dampfdruck anliegt. M c = A f / AK Af…freie Fläche Ab…bedeckte Fläche Es gibt keine Regel, wie groß Mc am Auslegungspunkt des Wärmetauschers sein soll, übliche Werte sind 0,5…0,66. In Worten ausgedrückt soll die freie Fläche zwischen 50% (Flächenreserve 100%) und 2/3 der Gesamtfläche (Flächenreserve 33%) betragen. Abhängig von der Flächenreserve ergibt sich die Kondensatunterkühlung: Je mehr Kondensat im Wärmetauscher steht (große Flächenreserve), desto mehr Verweilzeit bleibt für die Unterkühlung. Regelventil Das Regelventil ist auf die maximal benötigte Leistung auszulegen. Der maximale Kondensatmassenstrom (kg Kondensat/h) wird zur Berechnung des kvs-Wertes verwendet. Das Regelventil wird wesentlich kleiner ausfallen als bei der dampfseitigen Regelung, da ja nur der verhältnismäßig kleine Kondensatvolumenstrom zu regeln ist. •Das Regelventil sollte nicht größer als benötigt ausgelegt werden, da sonst bei Teillast nicht mehr genügend Hubweg des Ventilsitzes für eine genaue Regelung zur Verfügung steht. •Üblicherweise wird ein Ventil mit gleichprozentiger Regelcharakteristik gewählt. •Bei Anwendungen mit extremer Bandbreite kann es nötig sein, zwei Ventile einzusetzen: Ein Ventil mit kleinem kvs-Wert für den unteren Regelbereich (Teil- oder Niedriglast) und ein Ventil mit größerem kvs-Wert für den Volllastbereich. Aus Kostengründen und zur Vereinfachung der Regelung wird man üblicherweise versuchen, einen solchen Aufbau zu umgehen. Regelventile für Kondensat können sowohl metallisch dichtend als auch weichdichtend ausgeführt werden. In den allermeisten Fällen wird für die kondensatseitige Regelung ein metallisch dichtendes Ventil eingesetzt. Da die geringen Wassermengen langsam geregelt werden, wird meist ein elektrisch betätigtes Ventil eingesetzt. 28 | Spirax Sarco Eine fast schon philosophische Frage wird unter Fachleuten immer wieder diskutiert: Ist die Montage vor oder nach dem Regelventil die richtige? Rein von der Sicherheitsfunktion her könnte der Ableiter auch vor dem Ventil installiert werden: Dampfdurchtritt wird verhindert. Da immer ein Schwimmer-Kondensatableiter verwendet wird, ist auch der kontinuierliche Kondensatdurchsatz gewährleistet. Trotzdem kann es am Ableiter zu Druckverlusten kommen und zur Nachverdampfung nach dem Ableiter. Dieser Nachdampf würde dann schnell durch das Wasser-Regelventil strömen, die Erosionsgefahr steigt. Außerdem hat die Hauptregelaufgabe das Regelventil, und die Installation eines weiteren Regelorgans (und ein Kondensatableiter ist ein Regelorgan) vor dem eigentlichen Stellglied ist schon aus regeltechnischen Gründen mit möglichen Beeinflussungen behaftet. Kondensatseitig geregelte Anlagen von Spirax Sarco sind immer mit dem Kondensatableiter nach dem Regelventil ausgerüstet. Temperaturfühler Aufgabe des Wärmetauschers ist es, das Sekundärmedium zu erhitzen. Der vorhandene Temperaturwert im Ausgang des Sekundärmediums wird gemessen und mit dem gewünschten Sollwert verglichen. Für den Einbau des Temperaturfühlers sind dieselben Hinweise gültig wie bei der dampfseitigen Regelung. Regelgerät Sollwert und Istwert werden im Regelgerät miteinander verglichen. Die Differenz führt zu einem Stellsignal (4...20mA, 0,2...1 bar), das zu einer Veränderung der Stellung des Regelventils führt. 3.3.2.1 Sicherheitstemperaturregelung Für Heizungsanwendungen gemäß DIN 12828 muss neben dem Regelventil zwingend ein weiteres Ventil als Übertemperatursicherung eingesetzt werden. Dieses Auf-/Zu-Ventil wird üblicherweise separat angesteuert und ist im Störfall oft so verriegelt, dass es vom Anwender manuell wieder frei 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher Dampf gen. Andererseits wird ja aber meist auf eine Temperatur unter der Verdampfungstemperatur geregelt. Die Energieabnahme auf der Sekundärseite und damit in erster Linie der Massenstrom muss also so groß sein, dass es gar nicht erst zu Temperaturen über dem Sollwert kommt. Sicherheitstemperaturbegrenzer Sekundärseite Regelventil Wärmetauscher Kondensat Sicherheitstemperaturschaltung bei kondensatseitiger Regelung gegeben werden muss. Die Sicherheitstemperaturfunktion bei der Anstauregelung ist dieselbe wie bei der dampfseitigen Regelung, das Ventil ist im Dampfeingang eingebaut. Die Ansteuerung erfolgt sowohl direkt vom Temperatursensor als auch in Kombination mit dem elektronischen Temperaturregler. Bei reduzierten Durchflüssen des Sekundärmediums kann es auch zu partieller Verdampfung kommen: Kleine Dampfblasen entstehen an den Flächen des Wärmetauschers. Dampfblasen bedeuten aber auch eine sehr starke Volumenvergrößerung. Die Blasen werden durch das nachströmende, kühlere Medium sofort wieder zum Implodieren gebracht, das Volumen fällt schlagartig zusammen. Dabei entstehen Druckstöße, die eine Größenordnung von mehreren 100 oder 1000 bar annehmen können. Im Sekundärmedium kommt es zu Druckwellen. Implodieren die Dampfblasen in der Nähe der Wärmetauscherfläche, trifft ein Flüssigkeitsstrahl („Mikrojet“) mit hoher Geschwindigkeit auf die Wand auf. Diese wird durch die schlagartige Druckbelastung, und sei es auch nur auf einer kleinen Fläche, stark beansprucht. Druckstöße und Vibrationen können zu solchen Spannungen im Material führen, dass es zu Rissen und zum Bruch kommt. 3.3.2.2 Druck des Sekundärmediums Bei der kondensatseitigen Regelung steht immer der volle Dampfdruck und damit die volle Dampftemperatur an der freien Fläche des Wärmetauschers an. Die Dampftemperatur ist dabei logischerweise höher als die Vorlauftemperatur der Sekundärseite – sonst könnte eine Aufheizung ja nicht funktionieren. Tatsächlich ist die Dampftemperatur aber auch meist höher als die mögliche Verdampfungstemperatur des Sekundärmediums. Wird beispielsweise Wasser mit Dampf mit 2 barü entsprechend 134°C erhitzt, so besteht die Gefahr, dass das Wasser verdampft. Die Gefahr der Verdampfung steigt, je geringer der Druck im Sekundärkreislauf und je geringer der Durchfluss des Wassers ist. Metall-Wand Dampf Rücklauf Dampf Kondensat Vorlauf Mikroverdampfung auf der Rohroberfläche Wasser 134°C Temperatur Heißer Dampf auf kaltes Wasser Generell kann man die Verdampfung verhindern, indem man den Druck des Sekundärmediums hoch genug wählt. In dem vorgenannten Beispiel müsste der hydraulische Wasserdruck also mindestens 2 barü betragen, damit es auf keinen Fall zur Verdampfung kommt. In vielen Fällen wird der maximale Dampfdruck aber trotzdem über dem hydraulischen Druck der Sekundärseite lie- Spannungsriss Besonders in Heizungsanwendungen kommt es immer wieder zu dem Zustand, dass der Durchfluss des Sekundärme­ diums zu klein wird. Für die Umwälzung werden oft dreh- Spirax Sarco | 29 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher zahlgeregelte Pumpen eingesetzt, die in Abhängigkeit von der Außentemperatur den Volumenstrom auf der Wasserseite reduzieren. Bei dampfbeheizten Wärmeübertragern in der Heizungstechnik wird häufig die kondensatseitige Regelung eingesetzt. Bei dieser Regelungsart ist die Dampftemperatur unabhängig von der Lastabnahme konstant. Anders ausgedrückt: Es steht primärseitig immer voller Dampfdruck an. Wenn die Durchflussmenge im Teil- oder Schwachlastfall durch den Wärmetauscher stark reduziert wird, steigt die Oberflächentemperatur auf den wärmeübertragenden Flächen an. Ist der Betriebsdruck auf der Sekundärseite dann kleiner als der der Oberflächentemperatur entsprechende Dampfdruck, kommt es zu den bereits beschriebenen Verdampfungen, Implosionen und damit zu Materialbeanspruchungen. Gleiches gilt, wenn gar keine eigene Umwälzpumpe zwischen Heizungsverteiler und Wärmeübertrager eingesetzt wird, sondern lediglich das Druckgefälle aus dem Heizungskreislauf für die Umwälzung verwendet wird. entkoppelt. Die Weiche ist dabei ein Rohrstück, das auf eine Strömungsgeschwindigkeit von ca. 0,2 m/s ausgelegt wird. Die Pumpe des Heizkreises wird so eingestellt, dass sie um 10-30% mehr Volumen fördert, als maximal durch die Heizungsanlage fließt. Das hat zur Folge, dass durch die hydraulische Weiche immer Wasser fließt. Bei Stillstand der Heizungspumpen im Verbraucherkreis steigt die Temperatur in der hydraulischen Weiche an und das Regelventil im Kondensatausgang schließt. Der Temperaturfühler für die Regelung muss unbedingt in der hydraulischen Weiche sitzen. Dem Verbraucherkreislauf steht immer die gleiche Wassertemperatur für den Vorlauf zur Verfügung. Sinn dieser Schaltung ist, dass der Durchfluss durch den Wärmetauscher unter allen Umständen gewährleistet ist. Die Auslegungsparameter des Wärmetauschers bleiben immer konstant und eine Überhitzung der Sekundärseite des Wärmetauschers wird vermieden. Um das Problem zu beseitigen, wird eine hydraulische Weiche eingesetzt, die den Heizkreis und den Verbraucherkreis Vorlauf Heizungsanlage Rücklauf Heizungsanlage Vorlauf Heizungsanlage Rücklauf Heizungsanlage Wärmeübergabestation Dampf Vorlauf Kondensat Rücklauf Installation mit Problemen im Teil- und Schwachlastbetrieb Wärmeübergabestation Kondensat He iz kre is Dampf Ideale Installation mit hydraulischer Weiche 30 | Spirax Sarco Hydraulische Weiche 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher 3.3.3 Vergleich der Regelungsarten Dampfseitige Regelung Kondensatseitige Regelung schnell träger ja nein lediglich über die Abnahmemenge auf der Sekundärseite geregelt, indem der Sekundärdurchfluss in zwei Teilströme aufgegliedert wird. Wird höhere Leistung benötigt, lässt das Dreiwege-Regelventil mehr Medium über den Wärme­ tauscher fließen. Bei geringerem Energiebedarf wird das Sekundärmedium teilweise am Wärmetauscher vorbeigeführt und im Ventil mit dem heißeren Wärmetauscherstrom auf Soll-Vorlauftemperatur gemischt. reduziert größer 3.3.5 Bypassregelung groß geringer Geräusche, Schläge Gering (bei richtiger Ausrüstung) gering Nachdampfbildung ja nein bzw. stark reduziert Verdampfungsgefahr Sekundärseite weniger ja Ausrüstung (Armaturen) teurer einfacher Regelgeschwindigkeit Enges ∆T (Dampf­ temperatur und Vorlauftemperatur liegen eng beieinander) Kesselsteinbildung Lebensdauer Dichtungen Einfluss Kondensatdruck Energieausnützung Einsatz groß gut Das am weites- ten verbreitete Regelsystem kein Einfluss bei entsprechendem Dampfdruck sehr gut Vor allem für Heizungs- anwendungen Mit der Dreiwege-Regelung aus Kapitel 3.3.4 und der hydraulischen Weiche aus Kapitel 3.3.2.2 haben wir bereits einige Formen der Bypassregelung besprochen. Bypässe können auch dann sinnvoll sein, wenn sehr große Volumenströme auf der Sekundärseite zu unerlaubt hohen Druckverlusten führen würden. Die übliche Lösung dafür wäre eine Vakuumbrecher Dampf BypassHandventil Kondensat Wärmetauscher 3.3.4 Dreiwege-Regelung der Sekundärseite Diese Art der Regelung wird selten eingesetzt und ist hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt. Für den sehr speziellen Fall, dass der zur Verfügung stehende Dampfdruck sehr gering ist bzw. sehr nahe am Sollwert für den Rücklauf. Die Dreiwege-Regelung hat ähnliche Eigenschaften wie die Anstauregelung; es ist ratsam, sie höchsten bei Dampfdrücken unter 1 barü einzusetzen. Der volle Dampfdruck wird auf den Wärmetauscher aufgegeben und steht ständig an! Die Wärmetauscherleistung wird Einfache Bypasslösung Vergrößerung der Wärmetauscherflächen. Das ist jedoch teu­ er. Die Alternative ist eine Bypasslösung, die nur einen Teil des Volumenstroms durch den Wärmetauscher führt und im Bypass Rücklauftemperatur und Vorlauftemperatur mischt. 3.3.6 Splitrange-Betrieb Beispiel: Ein großes Volumen soll innerhalb einer vorgegebenen Zeit auf Temperatur gebracht werden, dafür ist kurzzeitig viel Energie nötig. Danach wird das Volumen nur noch auf Temperatur gehalten; für den Ausgleich der Wärmeverluste wird nur wenig Energie benötigt. Das Problem dabei ist, dass der Wärmetauscher und das Regelventil für den Aufheizbetrieb ausgelegt werden müssen, da sonst die Leistung nicht zur Verfügung gestellt werden kann und die Aufheizzeit zu lange dauert. Für den weiteren Betrieb der Temperaturhaltung sind dann Wärmetauscher und Regeleinrichtung viel zu groß dimensioniert. Das Dampf Kondensat Wärmetauscher • reduziert die Lebensdauer des Regelventils •führt bei der dampfseitigen Regelung zu vermehrter Geräuschbildung und Implosionsschlägen • reduziert die Regelgüte • führt zu unnötigen Kosten. Regelung des Bypasses über ein Dreiwege-Mischventil Spirax Sarco | 31 3 – Dampfbetriebene Wärmetauscher Dampf Brauchwasser Sekundärseite Primärseite Wärmetauscher Kondensat Frischwasser Split-Range-Regelung mit elektrischen Stellventilen Eine Split-Range-Regelung kann hier Abhilfe schaffen: Für die Aufheizphase werden beide Regelventile geöffnet, für die Temperaturhaltung regelt nur das kleinere der beiden Ventile. Wird die kondensatseitige Regelung verwendet, ist der Wärmetauscher besonders sorgfältig zu dimensionieren. Bei der dampfseitigen Regelung ist überlicherweise ein PumpKondensatableiter einzusetzen. 3.3.7 Druck und Temperatur Wir haben das Zusammenspiel von Druck und Temperatur bereits mehrfach erwähnt, wissen aber, dass es in der Praxis immer wieder zu Missverständnissen kommt. Deshalb hier noch einmal eine ausführlichere Erklärung: das Wasser rechts nur dann nicht verdampfen, wenn der Druck im Wassersystem über 5 barü liegt. Eine Art Provisorium ist über den Durchfluss erreichbar: Selbst wenn der Wasserdruck nicht hoch genug ist, kann Dampf Dampftemperatur Dampfdruck pü Kondensat Druck und Temperatur stehen in engem Zusammenhang, bei wässrigen Flüssigkeiten gibt die Wasserdampftafel ausreichende Informationen, hier auszugsweise: Temperatur [°C] 99,6 20,2 156,8 184,1 201,4 Wasser verdampft bei diesem Druck [barü] 0 1 5 10 15 Wasserdruck pü Durchfluss Wärmetauscher Wasser man Verdampfung verhindern, wenn man schnell genug kaltes Wasser „nachschiebt“. Das Wasser wird in diesem Fall erst gar nicht auf die Verdampfungstemperatur erhitzt. Wir merken uns für die Praxis: Das Triumvirat aus Temperatur, Druck und Durchfluss ist entscheidend für die stabilen Verhältnisse im Wärmetauscher. Druck Das folgende Bild zeigt einen Wärmetauscher, der auf der linken Seite mit Dampf beheizt wird. Auf der rechten Seite fließt Wasser und wird erhitzt. Ist die Dampftemperatur höher als 100°C, dann verdampft das Wasser auf der rechten Seite – es sei denn, der Druck ist entsprechend hoch. Ist die Dampftemperatur links beispielsweise 156,8°C dann wird 32 | Spirax Sarco Temperatur Durchfluss 4 – Auslegungsbedingungen für Wärmetauschlösungen 4. Auslegungsbedingungen für Wärmetauschlösungen In der Überschrift zu diesem Kapitel steht bewusst der Begriff „Wärmetauschlösungen“. Wir wollen nämlich weder dem VDI-Wärmeatlas, noch den Auslegungsprogrammen der verschiedenen Hersteller von Wärmetauschern Konkurrenz machen. Die Berechnungen, die Spirax Sarco durchführt, unterscheiden sich nicht wesentlich von denen der meisten Hersteller. Sehr wohl unterschiedlich ist aber das Verständnis für den ganzen Aufbau einer Wärmetauschanwendung – und das geht eben über den eigentlichen Wärmetauscher weit hinaus, Speziell, wenn Dampf als Primärmedium eingesetzt wird. 4.1 Dimensionierung des Wärmetauschers Die erste Berechnung für einen Wärmetauscher betrifft die Wärmeübertragungsfläche. Aus der Grundformel Q = k ⋅ A ⋅ ∆Tm A= Q k ∙ ∆Tm Von Hand sind einige Rechenschritte erforderlich, bis man die optimale Auslegung des Wärmetauschers ermittelt hat. Moderne Auslegungsprogramme helfen heutzutage natürlich enorm und verkürzen die Auslegungszeit. Trotzdem machen Fingerspitzengefühl und Erfahrung einen wesentlichen Unterschied. Je besser die vorliegenden Informationen, desto besser die Dimensionierung des Wärmetauschers. Viel zu oft macht man es sich mit ungenauen Schätzungen zu einfach: •Prozentuale Fehler beim Energiebedarf gehen mit demselben Fehler in die Wärmetauscherfläche ein •Fehlangaben bei den geforderten Arbeitstemperaturen können schnell den Faktor 2 und damit auch den Faktor 2 bei der Wärmetauscherfläche ausmachen •Besonders empfindlich werden unklare Angaben beim k-Wert: Ist das Medium oder die Durchflussmenge unklar, kann es zu gravierenden k-Wert-Schwankungen kommen. ergibt sich die Fläche A Wie die Formel vor Augen führt, werden einige Parameter zwangsläufig benötigt. Ohne diese Parameter geht es leider nicht! 1.Die gewünschte Leistung Q; sie kann gem. Kapitel 2.5.3 ermittelt werden. 2.Der Wärmeübergangskoeffizient k; es wäre vom Anwender zuviel verlangt, wenn er den k-Wert benennen sollte. Erstens weiß er meist nicht, was damit gemeint ist und außerdem ist der k-Wert durchaus von vielfältigen Bedingungen abhängig, nicht zuletzt von der Bauart des Wärmetauschers. Also wird der Anwender nicht umhin kommen, andere Parameter zu benennen: • Heizmedium, • Sekundärmedium, • erlaubte Druckverluste (wenn bekannt), •Betriebsarten wie z. B. Aufheizzeiten oder erlaubte Regelabweichung Aus diesen Werten kann der erfahrene Fachmann den k-Wert für den Wärmetauscher bestimmen. 3.Eingangs- und Ausgangstemperaturen sowie bei Dampf als Primärmedium den Dampfdruck. In der Praxis ist es so, dass sich die verschiedenen Parameter gegenseitig beeinflussen: Der k-Wert verändert sich mit dem Durchfluss (bei gleich bleibender Wärmetauschergeometrie); Die Druckverluste haben direkt mit dem Durchfluss zu tun; Der Durchfluss beeinflusst direkt die benötigte Leistung; Die Stoffwerte des Sekundärmediums (Dichte, Viskosität, spezifische Wärmekapazität) haben Auswirkung auf Turbulenz, Druckverlust, Wärmeübergang, Wärmebedarf. Es ist in der Praxis nicht immer möglich, schon im Voraus alle Parameter genau zu kennen. Viel zu oft hört man dann: „Geben wir halt ein bisschen mehr Reserve“. Auch wenn wir die Schwierigkeiten für genaue Angaben in der Praxis nicht verkennen, warnen wir vor dieser Denkhaltung. Mit all den Reservezuschlägen wird ein Wärmetauscher schnell einmal doppelt so groß und unter Umständen viermal so teuer. Es ist ja auch nicht nur der Wärmetauscher, auch das Regelventil und der Kondensatableiter werden zu groß. Und um das Maß voll zu machen und weil wir von Spirax Sarco das so gerne wiederholen: Für unseren Umsatz sind zu groß ausgelegte Anlagen gut, nicht aber für die Lebensdauer, die Regelbarkeit und die Zufriedenheit des Anwenders! Wenn wir schon bei den Kosten sind: die Art der Anwendung hat auch großen Einfluss. Mit ein paar Angaben kann man den Anlagenaufwand deutlich verändern: • Fällt die Leistung nur als Spitzenlast oder auf Dauer an? •Wird das Sekundärmedium im Durchlauf erhitzt und muss die Temperatur sofort zur Verfügung stehen oder wird ein Speicher beschickt? •Nicht nur der maximale Energiebedarf ist wichtig, sondern auch der minimale; das hat z. B. Einfluss auf die Entwässerung 4.2 Druckverlust Wie Druckverluste in Rohrleitungssystemen berechnet werden können, haben Sie bereits in Kapitel 2.5.2 gesehen. Wenn wir von Druckverlusten bei der Wärmetauscherauslegung sprechen, haben wir das gesamte Wärmesystem im Blickpunkt. Bei dampfbetriebenen Wärmetauschern interessiert dabei vor allem die Sekundärseite. Spirax Sarco | 33 4 – Auslegungsbedingungen für Wärmetauschlösungen In aller Regel wird das Sekundärmedium mittels Pumpen bewegt. Wird es anschließend in einen Vorratsbehälter oder Speicher (z. B. CIP-Reinigung, Waschbäder etc.) verbracht oder wie bei der Brauchwassererwärmung sofort verbraucht, ist der Druckverlust über den Wärmetauscher weniger wichtig. Er hat lediglich Auswirkung auf die Pumpengröße und die benötigte elektrische Leistung. Bei Heizungsanlagen fließt das Medium aber in einem geschlossenen Kreislauf und muss weite Strecken und diverse Einbauten (Armaturen, Heizkörper etc.) durchfließen. In solchen Anwendungen wird normalerweise ein erlaubter Wert für den Druckverlust über den Wärmetauscher vom Anwender oder Anlagenplaner vorgegeben. Erosion bis hin zu Wasserschlägen und Druckstößen: Die Materialbeanspruchungen sind so hoch, dass die Lebensdauer des Wärmetauschers deutlich verkürzt wird. Dampf 4.3 Strömungsgeschwindigkeit Die zuführenden Dampfleitungen und die abführenden Kondensatleitungen zum Wärmetauscher sind gemäß der Spirax Sarco-Auslegungsdiagramme zu dimensionieren. Die sekundärseitigen Rohrleitungen ergeben sich aus den hydrodynamischen Berechnungen inkl. Druckverlust des Sekundärsystems. Im Eingang des Wärmetauschers findet normalerweise eine Aufteilung des Dampfstromes auf die verschiedenen Rohre eines Rohrbündels bzw. die Platten eines Plattenwärmetauschers statt. Diese Aufteilung und die daraus resultierenden Teilgeschwindigkeiten sollte derjenige, der den Wärmetauscher auslegt, sorgfältig berücksichtigen. Der heiße Dampf, meist leicht feuchtigkeitsbeladen, strömt durch die Dampfleitung mit ca. 25 m/s ( 90 km/h). In den Bögen und Windungen des Wärmetauschers kann das schnell einmal mehr werden. Wird die Geschwindigkeit zu schnell, nehmen die Erosionseffekte zu. Bei Rohrbündeln kommt es zu Löchern im Bereich der Rohreinwalzungen, bei Plattenwärmeübertragern reißen die Endplatten und die Oberseiten der Platten in der Dampfleitung rodieren. Kondensat Haupt-Prozess Kondensat Gefahr der Blasenbildung Viel sinnvoller ist es, die Installation so zu wählen, dass der Kondensatableiter nach dem Wärmetauscher sitzt: Die Nachverdampfung findet erst nach dem Ableiter statt, der Wärmetauscher wird lediglich mit heißem Kondensat durchströmt. Dampf 4.4 Zweiphasenströmung In Kapitel 3.3.2.2 haben wir bereits auf die Gefahren der Dampfblasenbildung im Sekundärmedium hingewiesen. Ganz besonders kritisch sind Anwendungen zu betrachten, bei denen es von vornherein zu zweiphasigen Gemischen (z. B. Dampf + Wasser) kommt. Ein typisches Beispiel ist die folgende Anwendung: Ein Wärmetauscher soll die Abwärme eines heißen Mediums, z. B. aus einem anderen Wärmeübertrager, nutzen. Nach dem Kondensatableiter wird ein Teil des heißen Wassers wieder verdampfen (Nachdampfbildung). Durch den Wärmetauscher strömt dann Wasser und Dampf. Der Dampf wird dabei sehr schnell sein, da der Wärmetauscher normalerweise nur auf die Wasserdurchflussmenge ausgelegt ist und damit – schon aus Kostengründen – relativ klein dimensioniert ist. Schnell strömender Dampf mit Wasser oder Wassertropfen sind die beste Voraussetzung für erhöhte 34 | Spirax Sarco Kondensat Energieausnutzung, z.B. Speisewasservorwärmung Haupt-Prozess Kondensat Keine Nachdampfbildung im Wärmetauscher 4.5 Fouling, Kalkausfall, Selbstreinigung Fouling ist ein englischer Begriff und bedeutet übersetzt Verschmutzung, Verkrustung, Bewuchs, Ablagerung. Fouling im Wärmetauscher tritt immer dann auf, wenn ein Medium seine ursprünglichen Inhaltsstoffe im Apparat zurücklässt. 4 – Auslegungsbedingungen für Wärmetauschlösungen 4.5.1 Arten des Fouling Kalkausfall ist die verbreitetste Art der Belagsbildung, jeder kennt sie aus der eigenen Heizungsanlage, von Wasserhähnen oder aus Wasserkochern im Haushalt. In allen natürlichen Wasserquellen sind Calcium- und Magnesiumverbindungen in mehr oder weniger großem Umfang gelöst. In der Fachsprache wird das als Gesamthärte bezeichnet. Wird Wasser erhitzt, wandelt sich das gelöste Calziumhydrogencarbonat zu unlöslichem Calziumcarbonat (CaCO3) um und es kommt – abhängig von der Temperatur – zu Ausfällungen. Auf gut deutsch spricht man von Kalk. Die auf Hydrogencarbonationen beruhende und durch Temperatur veränderliche Wasserhärte wird als temporäre Härte oder Carbonathärte bezeichnet. Relativer Kalkausfall 4 3 2 1 50 100 150 200 Temperatur °C Kalkausfall in Abhängigkeit von der Temperatur Im Zusammenspiel mit Magnesiumcarbonat kann es zu einer besonderen Mischform, dem Dolomit kommen: noch härter als Kalk, dafür aber spröder. Setzen sich die Ausfällungen an den Wandungen von Wärmeübertragerflächen fest, spricht man von Kesselstein. Kesselstein beeinflusst nicht nur die Werkstoffstabilität (die Dehnfähigkeit der Wandungen wird schlechter) sondern behindert auch massiv den Wärmeübergang. Während Stahl typische Wärmeleitfähigkeitswerte von 50 W/m⋅K aufweist, liegen die von Kesselstein bei unter 2, je nach Zusammensetzung auch nur 0,5 W/m⋅K. Verminderung des Wärmeübergangs k durch Kalk- und Kesselstein: k = ϕ ⋅ kursprünglich Korrekturfaktor ϕ Kalkablagerungen in einem Rohrbündelwärmetauscher Die Wasserhärte wird in °dH (deutsche Härte) gemessen und in verschiedene Bereiche unterteilt: Härtebereich 1 Weich 2 Mittel 3 Hart 4 Sehr Hart °dH Bis 7,3 7,3 – 14 14-21,3 > 21,3 Für dampfbetriebene Wärmetauscher mit Sekundärtempe­ raturen über 50°C ist dringend eine Wasserenthärtung analog zu Dampfkesseln zu empfehlen. Unbehan­deltes Wasser sollte nur im Härtebereich 1 verwendet werden, im Härte­bereich 2 nur mit Vorsichtsmaßnahmen und entsprechenden Reinigungszyklen eingesetzt werden. Als Reinigungsmittel bietet sich vor allem verdünnte Zitronensäure an, die im Gegensatz zu anderen Säuren weder die Metallwandungen noch die Dichtungen angreift. Weitere Angaben liefert TRD611, in der die Speisewasserqualitäten für Dampf­ kessel definiert sind. Für die Trinkwassererwärmung und Warmwasser-Heizungsanlagen ist die VDI 2035 maßgebend. Heizleistung kW ≤ 50 50 ... 200 200 ... 600 > 600 Summe Erdalkalien mol/m3 ≤ 2,0 ≤ 1,5 < 0,02 Gesamthärte °dH ≤ 11,2 ≤ 8,4 < 0,11 Vakuumbrecher Dampf 1,0 Kondensat 0,8 Wärmetauscher 0,6 0,2 Zitronensäure 0,4 1 2 3 4 5 Schichtdicke mm Wärmetauscher mit Spüleinrichtung (CIP) Spirax Sarco | 35 4 – Auslegungsbedingungen für Wärmetauschlösungen Regelmäßige und rechtzeitige Reinigung sind beim Einsatz von Reinigungssystemen ausschlaggebend. Sind die Kalkablagerungen bereits zu stark geworden, ist die reine chemische Reinigung of nicht mehr ausreichend oder in vertretbaren Zeiträumen und mit vertretbarem Aufwand durchzuführen. Wegen des hohen thermischen Wirkungsgrades können Plattenwärmetauscher so ausgelegt werden, dass die Kondensationstemperatur relativ niedrig ist: Auf der Heizseite des Wärmetauschers ist die Dampftemperatur niedrig. Damit wird das Temperaturgefälle niedriger, mit diesen zwei Auswirkungen: 1. Weniger Kalkausfall auf der Sekundärseite 2.Mehr Heizfläche wird benötigt; bei gedichteten Plattenwärmetauschern ist die Flächenvergrößerung ohne extreme Kostensteigerung realisierbar. Beispiel: Wassererwärmung 60 auf 80 °C, Leistung 1 MW Wärmetauscher mit 20 Platten: Kondensationstemp. 150°C Wärmetauscher mit 28 Platten: Kondensationstemp. 120°C Weitere Ausfällungen Kommt es zu Ausfällungen, steht das meist auf irgendeine Art und Weise mit Kalk im Zusammenhang. Allerdings können auch andere Stoffe beteiligt sein wie z. B. Eisen. Dieses Eisen muss nicht unbedingt aus dem Rohwasser rühren, es kann auch durch andere chemische Reaktionen (z. B. saures Speisewasser) in den Rohrleitungen entstanden sein. denken, bevor zeitlich und kostenmäßig aufwändige Reinigungseinrichtungen in Betracht gezogen werden. 4.5.2 Selbstreinigung Träumen ist erlaubt und welcher Anwender träumt nicht davon, dass sich seine Anlage von selbst wartet und reinigt. Tatsächlich kann man bereits bei der Anlagenauslegung einiges tun, um einen Selbstreinigungseffekt zu erzielen. Temperatur: Es ist durchaus möglich, dampfbetriebene Wärmetauschersysteme so aufzubauen, dass der Kalkausfall reduziert wird. Dazu müssen aber die Betriebsparameter möglichst exakt vorliegen. Ganz besonders ist partiellen Verdampfungen vorzubeugen, denn bei Verdampfung ist das Ausfällen von Wasserinhaltsstoffen besonders stark. Durchfluss: Dem Durchfluss kommt ganz besondere Bedeutung zu. Ist er groß und turbulent genug, ist nicht nur der Wärmeübergang besser, sondern es werden auch Absetzstoffe mitgerissen und es kommt zu Selbstreinigungseffekten. Der Wärmetauscher sollte deswegen so ausgelegt werden, dass eine möglichst turbulente Strömung auf der Sekundärseite entsteht. Je größer die Turbulenz, desto größer werden die Wandschubspannungen auf den wärmeübertragenden Flächen. Damit sinkt auch die Verschmutzungsneigung: Schmutzpartikel werden mitgerissen und können sich nicht festsetzen. Bleiben trotzdem Ablagerungen und Partikel hängen, so steigt an diesen Stellen der Druckverlust, und damit steigen die Wandschubspannungen. Die Kräfte, die dann wirken, sind so groß, dass abgelagerte Partikel mitgerissen werden. Dieser Effekt wird als Selbstreinigung bezeichnet. Generell gilt: Je größer die Turbulenz im Wärmetauscher, desto größer ist der Wärmedurchgangskoeffizient k. Damit kann die wärmeübertragende Fläche verringert werden, der Wärmetauscher wird kleiner und kostengünstiger. Allerdings muss beachtet werden, dass die Wandschubspannungen nicht so groß werden, dass es zu Erosionen auf der Wandoberfläche kommt. Kalk- und Eisenablagerungen in einem Plattenwärmetauscher Partikel- und andere Ablagerungen Sowohl die Dampfseite eines Wärmetauschers als auch die Sekundärseite können von Ablagerungen betroffen sein. Dampfseitig sind das meist Rostpartikel u.ä. aus dem Rohrleitungssystem, aber auch schlammige Ablagerungen, die oft auf schlechte Aufbereitung des Dampfkessel-Speisewasser oder Überdosierung von Chemikalien hindeuten. Auf der Sekundärseite sind Partikelablagerungen ebenfalls in vielen Fällen durch Rostpartikel verursacht. Hinzu kommen noch Ablagerungen durch den Prozess, z. B. durch Fette oder Öle. In Wassersystemen kann es darüber hinaus noch zu biologischen Bewüchsen kommen („biologischer Rasen“) die meist mit dem pH-Wert des Wassers zu tun haben. In all diesen Fällen lohnt es sich, über den ganzen Prozess nachzu- 36 | Spirax Sarco Konstruktion: Moderne, gedichtete Plattenwärmeübertrager verfügen heute über temperaturstabile Dichtungen, so dass sie auch für Dampfanwendungen eingesetzt werden können. Dadurch wird es möglich, den gesamten Wärmetauscher zu Reinigungs- oder Inspektionszwecken zu öffnen. Bei allen anderen Wärmetauscherarten ist das leider nur begrenzt möglich. Bei Dampfanwendungen mit Rohrbündelwärmetauschern befindet sich der Dampf normalerweise in den Rohren. Molchen, wie bei anderen Anwendungen üblich, hilft deswegen nicht, da sich die absetzenden Stoffe nicht in den Rohren befinden, sondern um die Rohre herum. Das Ziehen der Rohrbündel ist nicht nur ein Zeitaufwand, sondern erfordert Platz, oft Hebewerkzeuge und teure Ersatzdichtungen. 4 – Auslegungsbedingungen für Wärmetauschlösungen 4.6 Armaturen und Zubehör Auch das haben Sie in diesem Buch schon öfter gelesen: nicht nur der Wärmetauscher, auch das Zubehör hat starken Einfluss auf die Funktion und die Lebensdauer. Regelarmaturen Die Regelventile gehören genauso auf die gewünschten Bedingungen ausgelegt, wie der Wärmetauscher selbst. Zu große Ventile sind unnötig teuer und stark abnutzungsgefährdet, da sie immer im unteren Schließbereich arbeiten müssen. Außerdem nimmt das Regelspiel zu und damit die Abnutzung der Stopfbuchse. Zu kleine Ventile sind nicht in der Lage, die Leistung zu gewährleisten, die Anlage kommt nicht oder nur langsam auf Temperatur. Auch die Art der Regelcharakteristik ist wichtig und hängt durchaus von den Betriebsbedingungen ab. Einiges dazu steht auch in den Kapiteln 3.3.1 und 3.3.2. Kondensatableiter, aktive Entwässerung Dasselbe wie bei den Regelarmaturen gilt auch für die Kondensatableitung: Warum für ein großes Gerät mehr ausgeben, wenn es auch ein kleineres tut. Und wenn die Betriebsbedingungen so sind, dass eine aktive Entwässerung notwendig ist, nützt auch der größte und teuerste Ableiter gar nichts. Mehr dazu ebenfalls in Kapitel 3.3.1. Schmutzfänger und Dampftrockner Es ist leicht, kurzfristig Geld zu sparen und den Schmutzfänger und den Dampftrockner einfach wegzulassen! Dann kostet der Anlagenbau weniger. Aber natürlich nur, wenn man nicht an die Betriebskosten denkt: Eine kleine Schweißperle aus der Rohrleitung oder ein etwas größerer Rostpartikel, und schon hat der Regelventilsitz eine Riefe. Der Austausch kostet und ist zeitaufwändig. Dasselbe gilt für Wassertropfen im Dampf. Prasseln sie ständig mit fast 100 km/h auf die Innenteile der Armaturen, ist eine vernünftige Lebensdauer kaum mehr zu erwarten. Ein Dampftrockner mit einem Kondensatableiter ohne Rückstau sollte vor jeder Regeleinrichtung vorgesehen werden. Entlüfter und Vakuumbrecher Über den Sinn der beiden kleinen Geräte Entlüfter und Vakuumbrecher haben wir in Kapitel 3.2.4 und 3.3.1.2 bereits ausführlich gesprochen. Sie von Anfang an mit einzuplanen und an der richtigen Stelle einzusetzen, erspart später manchen Ärger im Betrieb. Messen und Regeln Dampfbetriebene Wärmetauscher sind nicht schwierig zu regeln. Komplizierte Regelgeräte wie SPS-Steuerungen o.ä. sind nicht notwendig, wohl aber eine durchdachte Funktion der Ansteuerung. Besonderes Augenmerk sollte darauf gelegt werden, dass der Messfühler an der richtigen Stelle sitzt. Bei vielen Anlagen empfiehlt es sich, die Umwälzpumpe bei Anlagenstillstand etwas nachlaufen zu lassen: Der restliche Dampf im Wärmetauscher enthält noch so viel Energie, dass es zu einem starken Temperatur­anstieg auf der Sekundärseite führen kann, bis dahin, dass die Sicherheitstemperaturbegrenzung anspricht. Kann von der Steuerung nicht auf die Umwälzpumpe des Sekundärkreises zurückgegriffen werden, sollte eine eigene Umwälzpumpe eingesetzt werden. Die meisten Wärmetauscheranlagen werden über die Temperatur geregelt, trotzdem ist es sinnvoll weitere Anzeigegeräte vorzusehen: Optimale Ausrüstung einer Wärmeübertragerstation Druckluft Entlüfter Absperrventil Dampf 1 Vakuumbrecher Schmutzfänger Dampftrockner Vorlauf Sekundärseite Primärseite 2 Kondensat 3 4 Wärmetauscher Rücklauf Spirax Sarco | 37 4 – Auslegungsbedingungen für Wärmetauschlösungen 1.Ein Manometer im Eingang des Wärmetauschers gibt eine schnellen Überblick, ob und wieviel Dampf (Druck) ansteht 2.Nicht unbedingt notwendig aber manchmal recht hilfreich: Ein Manometer im Kondensatsystem gibt Information über die Gegendruckverhältnisse 3.Das Thermometer im Vorlauf des Sekundärkreises ist meist einfacher abzulesen als die Temperatur am elektronischen Regler. Und auch ein Manometer kann wertvolle Informationen liefern. 4.Auch das Thermometer im Rücklauf des Sekundärkreislaufs kann ganz sinnvoll sein. Absperrventile Um eine Anlagenwartung, Reparatur oder eine eventuelle Störungsbehebung problemlos durchführen zu können, ist der Einsatz von Absperrventilen angeraten. Auf der Dampfseite empfehlen wir grundsätzlich Faltenbalg-Absperrventile, auf der Kondensatseite können auch Dampf-Kugelhähne eingesetzt werden. Wegen der möglichen Nachverdampfung ist von einfachen Wasser-Kugelhähnen abzuraten. Ist vorgesehen, den Wärmetauscher im eingebauten Zustand zu reinigen (CIP-cleaning in place), sind entsprechende Anschlüsse und eventuell Klappen vorzusehen. SafeBloc-Faltenbalg-Ventil Das SafeBloc-Faltenbalg-Ventil (ein Ventil mit DIN-Baulänge) ermöglicht es, sicher doppelt abzusperren und die Abströmseite sicher zu entspannen. 38 | Spirax Sarco 5 – Bauarten von Wärmetauschern 5. Bauarten von Wärmetauschern Wärmetauscher werden nach ihrer Betriebsweise und nach ihrer Bauform eingeteilt. Auf die Bauform gehen wir in den folgenden Kapiteln genauer ein, zur Betriebsart an dieser Stelle ein paar Hinweise: Gleichstrom Primärmedium und Sekundärmedium durchströmen den Wärmetauscher in gleicher Richtung. Diese Betriebsart ist bei Dampf-Wärmetauscher selten zu finden. 5.1 Rohrbündel-WT Rohrbündel-Wärmetauscher sind die klassische, industrielle Bauart. Es gibt stehende und liegende Ausführungen, wobei kondensatseitig geregelte Anlagen nahezu ausschließlich stehend ausgeführt werden. Dampf strömt überlicherweise durch die Rohre und kondensiert dort. Die Konstruktion des Rohrbündels ist so zu wählen, dass das Kondensat problemlos ablaufen kann bzw. die Rohrbündel entsprechend angeordnet sind. Vorlauf Dampf Gegenstrom Primärmedium und Sekundärmedium durchströmen den Wärmetauscher in entgegengesetzter Richtung. Diese Betriebsart ist bei dampfbetriebenen Wärmetauschern – vor allem bei Plattenwärmetauschern und bei stehenden, kondensatseitig geregelten Anlagen – zu finden. Kondensat Rücklauf Schnittbild Rohrbündel-Wärmetauscher Kreuzstrom Dampfbetriebene Rohrbündel-Wärmetauscher, aber auch Plate&Shell-Wärmetauscher arbeiten häufig im Kreuzstromverfahren bzw. sehr ähnlich dem Kreuzstrom. Bei stehenden Anlagen ist gut auf die Entlüftung zu achten, da die nicht kondensierbaren Gase sich oben sammeln und nicht nach unten entweichen können. Bei liegenden Apparaten ist eine Entlüftung in der Zuleitung und der Einsatz eines Kondensatableiters mit Entlüfter ausreichend. Bei Anlagen mit Pumpe in Druck-Vakuumschaltung ist die Entlüftung im Niveau über dem Kondensatauslass zu installieren (Kap. 3.3.1.2). Trennsteg Rohre eingewalzt oder eingeschweißt Rohrplatte Typische Rohranordnung Die Rohre der Rohrbündel werden in die Rohrplatte eingewalzt, in besonderen Fällen auch eingeschweißt. Das Rohrbündel selbst kann entweder in den Mantel eingeschweißt Spirax Sarco | 39 5 – Bauarten von Wärmetauschern oder angeflanscht werden, was eine spätere Wartung ermöglicht. Bei Dampfanwendungen ist das Bündel in aller Regel nur einmal gefaltet, bei flüssig-flüssig-Anwendungen gibt es Ausführungen mit mehrfacher Faltung. Rohrbündel-Wärmetauscher sind sehr robuste Konstruktionen, allerdings bauen sie dadurch auch recht groß auf und benötigen viel Platz. Die Wärmeübergänge können nicht optimal wie z. B. bei Plattenwärmetauschern gestaltet werden. Aufgrund der Baumaße, des Gewichts und der dadurch verursachten Materialkosten gibt es heute, je nach Anwendung, interessante Alternativen, wie die nächsten Kapitel zeigen. Bei Turflow-Wärmetauschern sind die Rohre gewellt, das führt zu erhöhter Turbulenz auf der Sekundärseite und damit zu besonders gutem Wärmeübergang. Im liegenden Standard-Rohrbündeltauscher muss alles Kondensat immer das ganze Rohr durchlaufen, gegen Rohr­ ende wird dadurch der Wärmeübergang immer schlechter. Beim Turflow dagegen liegen die Wärmeübertragerflächen auch bei waagrechter Montage immer so, dass das entstehende Kondensat durch die Schwerkraft schnell ablaufen kann, denn der Dampf befindet sich im Mantelraum und nicht in den Rohren. Die gewellten Rohre und die andere Dampfführung bewirken die guten Wärmeübergangszahlen dieser Wärmetauscherbauart. Turflow-Wärmetauscher sind daher sehr klein und kompakt. Da weniger Material benötigt wird, bietet es sich an, diese Wärmetauscher bereits in der Grundausführung aus Edelstahl zu bauen. Rohrbündel-Wärmetauscher 5.2 Geradrohr-WT (Turflow) Geradrohrwärmetauscher sind den Rohrbündelwärmetauschern sehr ähnlich: Ein stabiler Mantel umgibt gerade, nicht gefaltete Wärmetauscherrohre. Innerhalb der Rohre fließt das Sekundärmedium, der Dampf befindet sich im Mantel. Der Wärmetauscher wird oft wie ein Rohrstück in das Rohrleitungssystem des Sekundärkreises eingebunden, er kann aber auch senkrecht montiert werden. Um die Längenausdehnung zwischen Mantel und Rohren bei größeren Temperaturunterschieden auszugleichen, ist der Wärmetauschermantel mit einem Kompensator ausgerüstet. Turflow-Wärmetauscher Dampf Drallrohre Kompensator Austritt Sekundärmedium Eintritt Sekundärmedium Rohrplatte Kondensat Schnittbild Turflow-Geradrohrwärmetauscher 40 | Spirax Sarco 5 – Bauarten von Wärmetauschern Druckluft Dampf Eintritt Sekundärmedium TurflowWärmetauscher Austritt Sekundärmedium Kondensat Primärseite Installation des Turflow-Wärmetauschers in der Rohrleitung 5.3 Platten-WT In den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts hat Alfa Laval die Plattenwärmetauscher entwickelt: Viel Wärmeübertragungsfläche wird auf kleinstem Raum untergebracht. Gedichtete Plattenwärmetauscher ermöglichen es dabei, das Gerät zu demontieren, die Übertragerflächen zu reinigen und zu inspizieren. Im technisch sinnvollen Umfang kann der Wärmetauscher sogar erweitert werden. Was seit Jahrzehnten in der Molkerei- und Lebensmitteltechnik, in der Kälte- und Wasseranwendung üblich war, hat sich in der Dampfanwendung als schwierig erwiesen. Die Wärmetauscher waren alle weit überdimensioniert. Plattenprägung und Geometrie haben dem hohen Energieinhalt des Dampfes nicht Rechnung getragen. Das Dilemma, auf der Dampfseite ein Medium mit hervorragendem Wärmeübergang und auf der Sekundärseite ein Medium mit schlechtem Wärmeübergang zu haben, hat zu Problemen geführt. Auch waren Regelung, Entwässerung und Wärmetauscher nicht aneinander angepasst. Es kam zu thermischen Spannungen, Undichtigkeiten und untragbar kurzen Lebenszeiten. Alfa-Laval Plattenwärmetauscher Erst die neuen Alfa Laval-Konstruktionen in Kombination mit der Spirax Sarco-Regelungs- und Entwässerungstechnik haben dampfbetriebene Plattenwärmeübertrager wirklich industrietauglich gemacht. EasiHeat dampfseitig geregelt Gedichtete und geschraubte Plattenwärmetauscher lassen sich öffnen und dadurch reinigen und inspizieren. Auch die Erweiterung der Leistung durch Hinzufügen neuer Platten ist möglich, wobei bei großer Erweiterung auch die Regelung und Entwässerung anzupassen ist. In Deutschland müssen gedichtete Plattenwärmetauscher gemäß Betriebsicherheitsverordnung Anhang 5 keiner wiederkehrenden Prüfung unterzogen werden. Größenvergleich Plattenwärmetauscher/Rohrbündelwärmetauscher Spirax Sarco | 41 5 – Bauarten von Wärmetauschern 5.4 Plate&Shell-WT Plate&Shell-Wärmetauscher gibt es seit ungefähr zehn Jahren. Sie kombinieren einige Eigenschaften von Platten- und Rohrbündeltauschern: • Stabiler Mantel • Kompakter, platzsparender Aufbau • Geringes Gewicht •Große Wärmeübertragungsflächen durch die Verwendung geschweißter Plattenpakete QuickHeat, dampfseitig geregelt Vahterus Plate&Shell-Wärmetauscher QuickHeat, kondensatseitig geregelt Vahterus PSHE-Wärmetauscher 5.5 V ergleich der verschiedenen Wärmetauschertypen Wärmetauscherarten Plattenwärmetauscher Plate&Shell-Wärmetauscher Drallrohrwärmetauscher Rohrbündelwärmetauscher 42 | Spirax Sarco Drücke [bar] 8 60 18 60 Temperaturen [°C] 180 400 300 400 Platz­ bedarf klein klein klein groß Gewicht klein mittel klein groß Über­ hitzung – () Erweiterbar – – – Inspizierbar – – – 5 – Bauarten von Wärmetauschern 5.6 Mischungsprozesse Eine besondere Form des Wärmetauschprozesses ist die Direkteinblasung von Dampf oder das Mischen von Flüssigkeiten unterschiedlicher Temperatur. An sich hat das nichts mehr mit dem Thema Wärmetauscher zu tun, soll hier aber der Vollständigkeit halber erwähnt werden. Etwas aufwändiger wird die Berechnung bei unterschiedlichen Flüssigkeiten, da hier die Wärmekapazität cp berücksichtigt werden muss: TM= ( T1 ∙ ṁ1 ∙ cp1 + T2 ∙ ṁ2 ∙ cp2 ) (ṁ1 ∙ cp1 + ṁ2 ∙ cp2 ) 5.6.1 Mischen von Flüssigkeiten 5.6.2 Direkteinblasung von Dampf (Injektion) Bei Wasser ist das ganz einfach: Wird 1 l Wasser mit 80°C mit 1 l Wasser mit 40°C gemischt, erhält man als Ergebnis 2 l Wasser mit 60°C. Für Wasser und die Mischung gleicher Flüssigkeiten gilt bei gleichen Mengen: Wird Dampf direkt in ein Medium injiziert, muss sowohl die Kondensationswärme (Verdampfungswärme) als auch die Wärmekapazität des entstehenden Kondensats berücksichtigt werden: TM= (T1 + T2) 2 Werden die gleichen Flüssigkeiten in anderen Mengenverhältnissen gemischt gilt: TM= TM= (T1 ∙ V̇1 + T2 ∙ V̇2) (V̇1 + V̇2) bzw. (T1 ∙ ṁ1 + T2 ∙ ṁ2 ) T TM ṁ V ( ṁ1 + ṁ2 ) Temperaturen; Einheit °C oder K Mischtemperatur; Einheit °C oder K Massen; kg bzw. als Massenstrom kg/h Volumina; l oder m3 Benötigte Leistung: Q = ṁ W ∙ cp ∙ ∆TW Benötigte Dampfmenge: ṁ D = oder alternativ ṁ D = Q h“ - (TW ∙ cp ) ṁ W ∙ (h2-h1) (h“-h2 ) Q Leistung; Einheit kW cp Wärmekapazität Wasser kJ/kg ∙ K ∆TW Temperaturdifferenz Wasser; Einheit K ṁD Massenstrom Dampf; Einheit kg/h ṁW Massenstrom Wasser; Einheit kg/h h“Gesamte Enthalpie (Energieinhalt) des Dampfes; Einheit kJ/kg h1Enthalpie (Energieinhalt) des Wassers vor der Erwärmung; Einheit kJ/kg h2Enthalpie (Energieinhalt) des Wassers nach der Erwärmung; Einheit kJ/kg Druckluft Dampf Kondensat Geregelte Badbeheizung mit Dampfinjektor Spirax Sarco | 43 6 – Anwendungen 6. Anwendungen 6.1 Durchlauferhitzer, Brauchwassererwärmung Typische Anwendungen für Durchlauferhitzer sind Brauchwassererwärmungen. In Brauereien beispielsweise wird warmes Wasser zum Reinigen benötigt und in Tankwagenreinigungsanlagen muss heißes Wasser schnell zur Verfügung stehen, um Tanklastzüge auszuspülen. Durchlauferhitzer werden in den meisten Fällen dampfseitig geregelt, da damit die Temperatur schnell zur Verfügung steht. Außerdem kann die Dampftemperatur kleiner gehalten und damit der Kalkausfall reduziert werden. Meist ist die Vorlauftemperatur fest vorgegeben aber der Volumenstrom ändert sich je nach Abnahme durch die verschiedenen Verbraucher. Kann es zu geringen Abnahmen kommen, ist normalerweise ein Pump-Kondensatableiter einzusetzen. Druckverluste über den Wärmetauscher spielen eine untergeordnete Rolle. Druckluft Brauchwasser Dampf Sekundärseite Primärseite Kondensat „Durchlauferhitzer“ für Brauchwasser 44 | Spirax Sarco Wärmetauscher Frischwasser 6 – Anwendungen 6.2 Heizungstechnik In der Heizungsanwendung ist der Wärmetauscher meist direkt mit dem Verteilsystem der Warm- oder Heißwasserheizung verbunden. In vielen Fällen werden dabei kondensatseitig geregelte Systeme eingesetzt, aber auch die dampfseitige Regelung kommt oft vor. Die Problematik Kalkausfall ist normalerweise nicht gegeben, da das Heizungswasser im Kreislauf fließt und zum Schutz der Heizkörper sowieso aufbreitet sein sollte (VDI 2035). Vorlauf Heizungsanlage Rücklauf Heizungsanlage Wärmeübergabestation Dampf Vorlauf Kondensat Rücklauf Sehr wichtig ist die Art der Einbindung der Dampf-Übergabestation in den Heizungskreislauf. Es ist vor allem zu gewährleisten, dass immer genügend Durchfluss vorhanden ist, da es bei kondensatseitig geregelten Anlagen sonst zu Verdampfungseffekten auf der Sekundärseite kommen kann (Kapitel 3.3.2.2). Es kommt immer wieder vor, dass im Anlagenbau an der falschen Stelle gespart wird. Im vorhergehenden Bild sind nur Pumpen in den Vorlaufsträngen der Heizungsanlage vorhanden. Oft handelt es sich dabei um drehzahlgeregelte Pumpen. Das hat zur Folge, dass es zu Zuständen kommen kann, in denen der Durchfluss durch den Wärmetauscher sehr klein wird oder sogar ganz abbricht. Wesentlich sinnvoller ist es, durch eine Pumpe im Rücklauf des Heizungskreises für ständige Abnahme am Wärmetauscher zu sorgen. Benötigt die Heizungsanlage wirklich keine Wärme, wird der Regler der Dampfanlage die Temperatur im Vorlauf automatisch absenken. Vorlauf Heizungsanlage Rücklauf Heizungsanlage Wärmeübergabestation Dampf Vorlauf Kondensat Rücklauf Spirax Sarco | 45 6 – Anwendungen Noch sinnvoller ist der Einsatz einer hydraulischen Weiche. Siehe hierzu auch Kapitel 3.3.2.2. Zusätzlich sollte die Regelung der Anlage so aufgebaut sein, dass eine Nachlaufzeit der Heizkreispumpe von z. B. 30 Sekunden am Wärmetauscher gewährleistet wird. So kann sich keine Übertemperatur durch die noch vorhandene Dampfenergie aufbauen. Vorlauf Heizungsanlage Wärmeübergabestation Kondensat 46 | Spirax Sarco He izk reis Dampf Hydraulische Weiche Rücklauf Heizungsanlage 6 – Anwendungen 6.3 Trinkwassererwärmung, Zweikreissystem Trinkwasseranlagen müssen grundsätzlich den DVGW-Regeln und der Trinkwasserverordnung entsprechen. Erschwerend kommt hinzu, dass bei der Trinkwasseranwendung im Gegensatz zur Heizung ständig neues, mehr oder weniger kalkhaltiges Wasser erhitzt wird und damit ständig neuer Kalkausfall erzeugt wird. Man kann eine Trinkwasseranlage genauso ausrüsten wie eine Brauchwasseranlage nach Kapitel 6.1. Tatsächlich macht die DVGW auch keinen Unterschied zwischen Brauch- und Trinkwasser, es muss aber bei Trinkwasser sichergestellt sein, dass auch im Störfall keine gesundheitsschädlichen Stoffe z. B. Korrosionsinhibitoren aus dem Dampfkessel ins Trinkwasser gelangen. Während es für Wasser DVGW-zugelassene Armaturen gibt, ist das bei Wärmetauschern nicht so. Eine sinnvolle Alternative ist daher der Einsatz eines Zweikreissystems: der zwischengeschaltete Wasserkreis entkoppelt Dampf und Trinkwassernetz. Zusätzlich ermöglicht er es, die Dampftemperatur abzusenken und damit den Kalkausfall zu reduzieren. Kalkausfall im Dampfwärmetauscher ist sowieso nicht mehr möglich, da nur das immer gleiche Wasser des Zwischenkreislaufes erhitzt wird. Druckluft Dampf Warmwasser Zwischenkreislauf Primärseite Kondensat Ausdehnungsgefäß Wärmetauscher Umwälzpumpe Trinkwassererwärmung Frischwasser Kreissystem mit geschlossenem Zwischenkreislauf Spirax Sarco | 47 6 – Anwendungen 6.4 Speicher-Lade-System Auch das Speicher-Lade-System ist sehr gut für die Trinkwassertechnik geeignet. Da es sich im Prinzip um ein Zweikreissystem handelt, ist auch hier die Gefahr des Kalkausfalls erheblich reduziert. Das Speicher-Ladesystem kann sowohl für die Heizungs- als auch für die Brauch- und Trinkwasseranwendung eingesetzt werden. Druckluft Warmwasser Dampf Zwischenkreislauf Primärseite Kondensat Trinkwasser-Speicher 48 | Spirax Sarco Ausdehnungsgefäß Wärmetauscher Frischwasser Umwälzpumpe Speicher 6 – Anwendungen 6.5 CIP-Reinigung CIP-Reinigungsanlagen (CIP-cleaning in place) werden vor allem in der Lebensmitteltechnik, aber auch in der Pharmaindustrie eingesetzt, um produktberührte Apparate und Rohrleitungen zu reinigen. Zuerst werden die Rohrleitungen mit heißer Lauge (z. B. Natronlauge), dann mit kalter Säure (z. B. Salpetersäure) gespült und damit gereinigt. Anschließend wird das System mit kaltem Wasser nachgespült und so alle Chemikalienreste entfernt. Bei CIP-Reinigungsanlagen wird die Lauge sowohl über einen Durchlauferhitzer erwärmt, als auch heißes Medium in Vorratstanks in Bereitschaft gehalten. Im letzteren Fall muss zwischen drei stark unterschiedlichen Leistungsbereichen unterschieden werden: 1.Aufheizen des Tanks in einer vorgegebenen Zeit entweder aus Anlagenstillstand heraus oder beim Befüllen: hoher Energie­ bedarf 2.Nachheizen im Verbrauchsfall bei stabiler Temperatur: mittlerer Energiebedarf 3. Temperaturhaltung: kleiner Energiebedarf Zur Prozessanlage Druckluft Dampf Zwischenkreislauf Primärseite Kondensat Wärmetauscher Rücklauflauge Umwälzpumpe Laugetank Tankbeheizung und Frischlauge-Vorheizung Spirax Sarco | 49 6 – Anwendungen 6.6 Flaschenwaschmaschinen Flaschenwaschmaschinen der Getränkeindustrie sind normalerweise mehrstufig aufgebaut: Das erste Bad ist für die grobe Reinigung zuständig. Die Temperatur und die Laugekonzentration sind hoch. In den folgenden Bädern nehmen Temperatur und Laugenkonzentration ständig ab, bis im letzten Bad mit sauberem Wasser nachgespült wird. Die Wärmeübergabestation arbeitet auch hier unter drei Leistungsanforderungen: 1.Aufheizen des kalten Bades auf Solltemperatur; die Leistung der Wärmeübergabestation ist abhängig von der gewünschten Aufheizzeit, beim Aufheizen arbeitet sie unter Volllast; 2.Reinigungsprozess: Kalte Flaschen werden in die Maschine geführt und müssen aufgeheizt werden. Die Badtemperatur darf nicht unter einen bestimmten Wert sinken, um die Reinigungswirkung zu gewährleisten; 3.Temperatur halten im Stand-By, d.h. kleiner Leistungsbedarf um die Energieverluste auszugleichen; Lauge 1 Dampf Lauge 1 Feststofffilter Spülen Dampf Kondensat Kondensat Flaschenwaschmaschine 50 | Spirax Sarco 6 – Anwendungen 6.7 Behandlungsbäder in Galvanik und Stahlindustrie Ähnlich wie bei Flaschenwaschmaschinen müssen Behandlungsbäder beheizt und die Energieverluste durch Abwärme/Abstrahlung und den Eintrag kalter Werkstücke ausgeglichen werden. Da die Temperaturen nicht so exakt gehalten werden müssen, wird in der Galvanik oft auch mit Dampfinjektion und Temperaturregelung ohne Hilfsenergie gearbeitet. Druckluft Dampf Dampf Kondensat Temperaturregelung ohne Hilfsenergie für die Dampfinjektion, pneumatische Regelung für das Heizbündel Spirax Sarco | 51 6 – Anwendungen 6.8 Wärmerückgewinnung bei Brüdendampf In Dampfanlagen wird das heiße Kondensat oft in drucklosen Behältern gesammelt. Im Gegensatz zu geschlossenen, druckbehafteten Anlagen, bei denen es keinen Wrasendampf gibt, sind solche drucklosen Anlagen in der Praxis wesentlich einfacher zu betreiben. Drucklose Behälter müssen in die Atmosphäre entlüftet werden, was zwangsläufig zum Verlust von Wrasendampf und damit zu Energieverlust führt. Diese Verluste lassen sich durch den Einsatz von Brüdenkühlern minimieren. Mit Hilfe des Brüdenkühlers wird Brauchwasser oder Nachspeisewasser vorgewärmt. Atmosphäre Eintritt Kaltwasser Speisewassergefäß, drucklos (atmosphärisch) 52 | Spirax Sarco TurflowWärmetauscher Austritt warmes Wasser 6 – Anwendungen 6.9 Wrasendampf von Speisewasserentgasern Die Aufgabe eines Speisewasserentgasers ist es, nicht kondensierbare Gase auszutreiben und in die Atmosphäre zu leiten. Da dabei ebenfalls heißer Dampf mit entweicht, empfiehlt es sich, diesen Brüdendampf zur Vorwärmung des Speisewassers zu benutzen. Frischwasser Atmosphäre Vorwärmung Druckhaltung Dampf Speisewasserbeheizung Kondensat Speisewassergefäß mit Entgaserdom Spirax Sarco | 53 6 – Anwendungen 6.10 Energierückgewinnung bei der Reindampferzeugung Genau betrachtet ist ein Reindampferzeuger nichts anderes als ein Wärmetauscher. In unserem Beispiel ist ein liegender Rohrbündelwärmetauscher gezeichnet. Mittels Dampf wird das Wasser des Reindampferzeugers erhitzt und verdampft. In vielen Fällen wird das Kondensat des Reindampfes nach seiner Kondensation in Sterilisatoren und anderen Apparaten verworfen. Das bedeutet, dass dem Reindampferzeuger ständig frisches Wasser zugeführt werden muss. Aus der Wasseraufbereitung kommt das kalte Wasser normalerweise zuerst in einen Entgaser oder in einen entsprechend aufgeheizten Speisewasserbehälter. Um den Energieaufwand zur Erwärmung des kalten Wassers zu reduzieren, wird das Kondensat des Reindampfprozesses benutzt: Ein kleiner Wärmetauscher wird primärseitig durch das heiße Kondensat des Reindampferzeugers durchströmt und erhitzt das sekundärseitige, kalte Zusatzwasser. Dieser Vorgang hat regeltechnisch sogar den Vorteil, dass er zeitgleich erfolgt: Je mehr Reindampf erzeugt wird, desto mehr Heiz-Kondensat fällt an und desto mehr Zusatzwasser wird benötigt. Die anfallende, überschüssige Energie kann also sofort wieder verwendet werden. Der Wärmetauscher zur Energierückgewinnung sitzt unter dem Auslass des Reindampferzeugers. Der KugelschwimmerKondensatableiter ist hinter dem Wärmetauscher installiert. Dadurch ist sichergestellt, dass es nicht zu Nachverdampfung und damit zu erodierender Zweiphasenströmung im Wärmetauscher kommt (siehe auch Kapitel 4.4) Reindampf Dampf Aufbereitetes Speisewasser Wärmerückgewinnung 54 | Spirax Sarco Kondensat 7 – Inbetriebnahme, Wartung, Betrieb 7. Inbetriebnahme, Wartung, Betrieb 7.1 Inbetriebnahme Bei den meisten Neuinstallationen bleiben nach dem Aufbau der Rohrleitungen Schmutzpartikel in den Rohrleitungen zurück. Bevor Wärmeübergabestationen angefahren werden, muss deshalb das gesamte Rohrleitungsnetz gespült werden. Checkliste vor Inbetriebnahme: □Herstellnummer des Wärmeüberträgers (vom Typenschild ablesbar) □Prüfen, ob alle Komponenten richtig sind (anhand der Stückliste) und mit den Systemdaten (Druck und Temperatur) zusammenpassen □Prüfen, ob die Durchflussrichtung der Armaturen stimmt □Steht Dampf zur Verfügung? Druck? □Ist elektrische Energie vorhanden? □Stimmen die technischen Daten der verwendeten Geräte (z. B. Spannung 24 V oder 220 V)? □Ist Druckluft vorhanden? Druck? □Elektrische Anschlüsse prüfen □Verschraubungen fest anziehen □Rohrleitungen spülen □Bypässe schließen □Wassersackrohre für Manometer und Druckmessaufnehmer mit Wasser füllen □Manometerabsperrventile öffnen □Ausgleichsgefäße für Druckregelung mit Wasser füllen □Abströmseitige Absperrventile öffnen (Dampf- und Kondensatsystem) Während der Inbetriebnahme □ Starten der sekundärseitigen Hauptpumpe (Wasserseite) □Prüfen, ob das Wasser durch den Wärmeübertrager zirkuliert □Wenn die Zirkulation in Ordnung ist, Anschalten der elektrischen Versorgungsspannung für die primärseitigen Anlagenteile □Anschalten der Ansteuerung der Wärmeübertrageranlage, z. B. durch Anschalten des Steuerschrankes über den internen Hauptschalter □Anschalten der Druckluftversorgung □Einstellen des benötigten Versorgungsdruckes der Druck­ luft (Wert am Stellungsregler ablesbar) □Einstellen des gewünschten Sollwerts am Regler (Bedienungsanleitung für den Regler beachten) Dampf sehr langsam aufdrehen dabei Temperatur- und Druckanstieg beachten □Aufdrehen des Versorgungsdampfes für den Pump-Kondensatableiter (falls dieser montiert ist) □Aufdrehen des Versorgungsdampfes für den Pump-Kondensatableiter (falls dieser montiert ist) □Verschiedene Drücke/Temperaturen (Sollwerte) anfahren/simulieren □Prüfen, ob die Regelventile in der geschlossenen Stellung dicht sind (auf der Minderdruckseite darf der Druck bei geschlossenem Ventil nicht ansteigen) □Regelung optimieren – P-Band und I-Anteil einstellen; bei Überschwingen sind die Regelparameter zu beobachten □Alarme der Druck- und Temperaturregelung einstellen und testen □Überfahren des Schaltpunktes der Sicherheitstemperaturbegrenzung (wenn vorhanden) und die Funktion prüfen □Bei installiertem Pump-Kondensatableiter: Prüfen, ob das Gerät arbeitet Nach der Inbetriebnahme □Prüfen, ob die Drücke/Temperaturen stimmen □Schaltpunkte/Regeleinstellungen prüfen; diverse Regelpunkte prüfen □Prüfen, ob Kondensat fließt □Verschraubungen nachziehen □Schmutzfänger überprüfen □Erstellung eines Inbetriebnahmeprotokolls Spirax Sarco | 55 7 – Inbetriebnahme, Wartung, Betrieb 7.2 N achlaufzeit bei kompakten Wärmetauschern Wird die Energieabnahme bei einer dampfbeheizten Wärme­ tauscheranlage schlagartig unterbrochen, kann der Dampf die Kondensationswärme nur noch auf das bereits im Wärmetauscher enthaltene Wasser übertragen. Bei kompakten Wärmetauschern, wie z. B. Platten- oder Plate&Shell-Wärmetauschern, aber auch bei anderen Anlagen, ist das steuerungstechnisch zu berücksichtigen. Beispiel: Plattenwärmetauscher, 200kW, Dampf mit 4 barü Bei einer Leistung von 200kW strömen ca. 0,1 kg/s Dampf durch einen Plattenwärmetauscher. Dieser Dampf kondensiert und die Kondensationswärme wird auf das Medium der Sekundärseite übertragen. Wird auf der Sekundärseite keine Leistung benötigt und deswegen die Strömung abgeschaltet, erfolgt der Übertrag der Wärme auf ein „stehendes“ Medium. Bei einem Inhalt von 10 Litern wird dann beispielsweise Wasser um 4,7 K erwärmt. Der Temperaturfühler reagiert auf die Temperaturerhöhung, die Regelung schließt das Regelventil. Bis zum vollständigen Schließen des Regelventils wird weiterhin Dampf nachströmen. Die Schließzeit des Regelventils ist abhängig von der Antriebsart (elektrisch oder pneumatisch) und kann bis zu 20 Sekunden betragen. In dieser Zeit können dann bis 2 kg/h Dampf nachströmen und das Sekundärmedium weiter erwärmen. Bei einem Dampfdruck von 4 barü beträgt die Dampftemperatur 152 °C. 2 kg Dampf entsprechen einer Leistung von etwa 1,17 kW, damit kann die Temperatur der Sekundärseite um fast 100 °C erhöht werden! Das Sekundärmedium wird zwar nicht heißer als das Heizmedium, abhängig vom Betriebsdruck besteht aber die Gefahr, dass ein Teil des Sekundärmediums verdampft und/oder die Sicherheitstemperatureinrichtung anspricht. Um das zu verhindern, muss sichergestellt sein, dass bei einem Abschalten des Sekundärkreislaufs zuerst die Dampfzufuhr und dann, mit einer Nachlaufzeit von mehreren Minuten, die Sekundärseite abgestellt wird. Ist das aus anwendungstechnischen Gründen nicht möglich, muss eine Zwangsumwälzung über einen Bypass vorgesehen werden. Das, was hier für den abrupten Anlagenstillstand beschrieben ist, kommt natürlich auch im Teillastbereich vor: Auf der Sekundärseite sinkt die Abnahme, während auf der Primärseite noch immer volle Leistung ansteht. Auch hier besteht die Gefahr kurzzeitiger Überhitzung. Um das Ansprechen des Sicherheitstemperaturfühlers zu verhindern, kann es sinnvoll sein, diese Funktion bzw. eine Vorwarnschwelle mit der Umwälzpumpe bzw. einer zusätzlichen Umwälzung zu verknüpfen. Die Temperatur auf der Sekundärseite steigt also sehr schnell und sehr stark an. Es könnte sogar zum Auslösen der Sicherheitstemperatureinrichtung (wenn vorhanden) kommen. Es muss daher sichergestellt werden, dass mittels geeigneter 56 | Spirax Sarco Maßnahmen Überhitzung nicht auftritt bzw. vermindert wird. Dies kann beispielsweise durch eine Nachlaufzeit beim Abschalten der sekundärseitigen Umwälzpumpe geschehen. Ist das nicht möglich, so wird eine interne Zwangsumwälzung wie sie bei EasiHeat-Anlagen eingesetzt wird, vorgesehen. 7.3 Wartung und Systemtests Da Wärmeübertragerstationen aus dem Wärmetauscher selbst und aus einer Reihe weiterer, notwendiger Armaturen bestehen, sind diese Teile auch separat zu betrachten: Armaturen und Zubehör •Flansche, Verschraubungen und Stopfbuchsen optisch auf Dichtigkeit prüfen •Isolierung optisch auf Beschädigung prüfen; beschädigte Isolierung deutet oft auf Undichtigkeiten hin •Verschraubungen nachziehen •Siebe in Schmutzfängern wechseln/kontrollieren •Rohrleitungen oder Armatureninnenteile auf Beläge prüfen; ebenso Schaugläser, Wasserstandsanzeiger, offene Behälter (Beläge deuten normalerweise auf Probleme mit der Dampf- und Wasserqualität hin) •Manometer und Temperaturanzeiger optisch auf logische Anzeige prüfen: Prüfen, ob die Drücke/Temperaturen stimmen •Absperrventile und Kugelhähne auf Gängigkeit und optisch auf Dichtigkeit prüfen •Regelventile auf Funktion prüfen •Ventilhub prüfen •Prüfen, ob die Regelventile in der geschlossenen Stellung dicht sind (auf der Minderdruckseite darf der Druck bei geschlossenem Ventil nicht ansteigen); eventuelle Ventilsitze und Dichtungen tauschen •Stellsignale messen •Kondensatableiter auf Dampfschlupf und Blockade prüfen •Bei installiertem Pump-Kondensatableiter: Prüfen, ob das Gerät arbeitet •Sicherheitsventile (wenn vorhanden) anlüften und anschließend auf Dichtigkeit prüfen •Überprüfen der sicherheitsrelevanten Not-Aus-Funk­ tionen z. B. Druckwächter, Temperaturwächter und Niveaustände Wärmetauscher •Optisch auf Dichtigkeit prüfen; evtl. Isolierung öffnen •Größere Wärmetauscher sind gemäß Betriebssicherheitsverordnung wiederkehrend zu prüfen. Die Prüffristen legt der Betreiber fest. Gedichtete Plattenwärmetauscher sind von der Prüfpflicht ausgenommen. 7 – Inbetriebnahme, Wartung, Betrieb Höchstfristen laut BetrSichV für die wiederkehrende Prüfung gem. Artikel 9 in Verbindung mit Anhang II der Richtlinie 97/23/EG Äußere Prüfung 2 Jahre Druckbehälter der Kategorie III, sofern der maximal zulässige Druck PS mehr als 1 bar beträgt oder der Behälter Kategorie IV ist Innere Prüfung Festigkeitsprüfung 5 Jahre 10 Jahre •Wärmetechnische Prüfung für dampfseitige Regelung (sehr aufwändig): 1.Dampfdruck bzw. Temperatur an der Primärseite des Wärmetauschers ablesen; Enthalpie ∆hV in kJ/kg aus Wasserdampftafel bestimmen 2.Bei kondensatseitiger Regelung: Kondensattemperatur ϑK messen in °C 3. Temperatur Vorlauf ϑK ablesen in °C 4. Temperatur Rücklauf ϑK ablesen in °C 5. Durchfluss Kondensat mK messen kg/h 6. Durchfluss Sekundärseite mS messen kg/h Berechnen Primäre Leistung (Dampfseite): QP = ∆hV ⋅ mK in kJ/h Sekundärseitige Leistung: QS = mS ⋅ cp ⋅ ∆T in kJ/h Leistungsverlust berechnen: QV = QP - QS Der Vergleich der Leistungsverluste über die Betriebsdauer gibt eine Aussage über die Qualität der Isolierung und Beläge auf den Übertragungsflächen. Bei dampfseitiger Regelung: Q = k ∙ A ∙ ∆Tm = k ∙ A ∙ (TD k= (T3 + T4) 2 ) = k ∙ A ∙ (TD - ∆T) Q A ∙ (TD - ∆T) Wem die Leistungsermittlung zu kompliziert ist, kann auch eine empirische Ermittlung vornehmen: Verschmutzungen kann man erkennen, indem man die Sekundärseite bei der zweiten Messung unter gleichen Bedingungen wie bei der ersten Messung laufen lässt: gleicher Durchfluss, gleiche Vor- und Rücklauftemperaturen. Der Anstieg der Dampftemperatur bzw. des Dampfdrucks zeigt dann an, dass der Wärmeübergang schlechter geworden ist. Bei kondensatseitiger Regelung: Die Verschmutzungsberechnung wird wesentlich komplizierter, da die Fläche nicht immer gleich bleibt. Verschmutzungen kann man erkennen, indem man die Sekundärseite bei der zweiten Messung unter gleichen Bedingungen wie bei der ersten Messung laufen lässt: gleicher Durchfluss, gleiche Vor- und Rücklauftemperaturen. Der Anstieg der Kondensattemperatur zeigt dann an, dass der Wärmeübergang schlechter geworden ist. Zusammen mit dem Leistungsverlust ergibt sich ein aussagekräftiges Bild, vor allem, wenn Werte über einen längeren Zeitraum ver­ glichen werden. Druckverlust Fouling auf der Sekundärseite versucht man manchmal über den Druckverlust Vorlauf/Rücklauf zu messen. Die Erfahrung hat aber gezeigt, dass diese Messung sehr unsensibel ist und erst dann signifikante Werte liefert, wenn schon erhebliche Verschmutzung eingetreten ist. Regelung und Funktion •Verschiedene Drücke/Temperaturen (Sollwerte) anfahren/simulieren •Prüfen, ob die Regelventile in der geschlossenen Stellung dicht sind (auf der Minderdruckseite darf der Druck bei geschlossenem Ventil nicht ansteigen) •Regelung optimieren – P-Band und I-Anteil einstellen; bei Überschwingen sind die Regelparameter zu beobachten •Alarme der Druck- und Temperaturregelung testen •Überfahren des Schaltpunktes der Sicherheitstemperatur­ begrenzung (wenn vorhanden) und die Funktion prüfen Die Berechnung liefert reale Werte, wenn die Fläche des Wärmetauschers in m2 bekannt ist. Aber auch wenn die Fläche nicht bekannt ist, kann sie auf die gleiche Art durchgeführt werden. Wichtig ist, inwieweit sich die k-Werte verändern, denn das ist das Maß für die Wärmetauscherverschmutzung: Ist die Abnahme des Wärmeübergangs durch Fouling in % zwischen der Messung 1 und der späteren Messung 2. k2 k1 · 100 % Zusammen mit dem Leistungsverlust ergibt sich ein aussagekräftiges Bild, vor allem wenn Werte über einen längeren Zeitraum verglichen werden. Spirax Sarco | 57 8 − Anhang 8. Anhang 8.1 Einheiten Temperatur Die in den folgenden Tabellen angegeben Stoffdaten sind Anhaltswerte. Für genauere Daten verweisen wir auf die einschlägigen Nachschlagewerke, z. B. VDI-Wärmeatlas. °C = K - 273,15 °F = K ∙ 1,8 − 459,67=°C ∙ 1,8 + 32 1 °F = 0,556 K Temperaturdifferenzen und Absoluttemperatur: in K (Kelvin) Energie (mechanisch, thermisch, elektrisch) 1 Nm 1 J 1 kWh 1 kJ 1J = 1 J = 1 Ws = 2,78 ⋅ 10-7 kWh = 1 Nm = 1 Ws = 1 kg . m2/s2 =3 ,6 ⋅ 106 Ws = 3600 kJ = 8,598 ⋅ 102 kcal = 3,412 ⋅ 103 BTU = 0,2778 ⋅ 10-3 kWh = 2,778 ⋅ 10-7 kWh = 2,388 ⋅ 10-4 kcal = 107 erg BTUBritisch thermal unit; das ist die Wärmemenge die benötigt wird, um 0,4536 kg Wasser (1 lb) von 60 auf 61 °F zu erwärmen. Spezifische Enthalpie (Spezifischer Wärmeinhalt) 8.2 Formeln Dampfbedarf mD = ṁ · cp · ΔT / (Δh v · t) Q Leitung, Einheit kW cp Wärmekapazität, EinheitkJ/kgK ΔT Temperaturdifferenz; Einheit K ṁ Massendurchfluss, Einheit kg/h Δh vVerdampfungsenthalpie des Wasserdampfes (bei Druck x), Einheit kJ/kg t Zeit, Einheit h mD Dampfmenge, Einheit kg/h 1 kcal/kg = 4,1868 kJ/kg Dampfbedarf, überschlägig Leistung (Wärmefluss) 1 Nm/s 1 kWh 1 kcal/h 1 W 1 PS = 1 J/s = 1W = 860 kcal = 1,163 W = 1 J/s = 1 kg ∙ m2/s3 = Nm/s = 0,736 kW 1 kW = 1,8 kg/h Dampf Energiebedarf Q = ṁ · cp · ΔT 1 kcal/m2 ⋅ h ⋅ K = 1,163 W/m2 ⋅ K Q cp ΔT ṁ Wärmeleitfähigkeit Wärmetausch 1 kcal/m ⋅ h ⋅ K = 1,163 W/m ⋅ K Q = α · A · ΔT Q Wärmemenge (Energie), Einheit W (Watt) α Wärmeübergangskoeffizient, Einheit W/(m² · K) A Fläche, Einheit m² ΔT Temperaturdifferenz in K (Kelvin) Wärmedurchgang, Wärmeübergang Spezifische Wärmekapazität 1 kcal/kg ⋅ K = 4,1868 103 J/kg ⋅ K Leitung, Einheit kW Wärmekapazität, Einheit kJ/kgK Temperaturdifferenz; Einheit K Massendurchfluss, Einheit kg/h Druck 1 Pa 1 bar 1 Torr 1 at 1m WS 1 psi 1 psi 1 Torr 1 kPa barü barabs 58 | Spirax Sarco = 1 N/m2 = 10-5 bar = 0,102 ⋅ 10-4 at = 0,00075 Torr = 105 Pa = 1,02 at = 750 Torr = 1 mm QS = 133 Pa = 0,00133 bar = 101325 Pa = 1,013 bar = 1,033 at = 760 Torr = 0,1 at = 0,098 bar = 1 lbf/in2 = 6,89 . 103 Pa = 1 lbf/in2 = 6,89 . 103 Pa = 1,3332 ∙ 102Pa = 10-2 bar Überdruck Absolutdruck (Überdruck = Atmosphärendruck) Q = λ/d · A · ΔT λ Wärmeleitkoeffizient; Einheit W / (m · K) d Materialstärke; Einheit m 1/k = 1/ α 1 + d/λ + 1/ α 2. Q = k · A · ΔTm k Wärmedurchgangskoeffizient ; Einheit W/(m² · K) ΔTm mittlere Temperaturdifferenz; Einheit K Mittlere Temperaturdifferenz allgemein Formel Seite 8 links 8 − Anhang Mittlere Temperaturdifferenz für Dampf (vereinfacht) ∆Tm = TD - T3 + T4 2 Re = √0,4 · Gr Prandtl = η · c/λ = v/a Stoffkenngröße; Verhältnis zwischen kinematischer Viskosität und Temperaturleitfähigkeit Kontinuitätsgleichung ṁ = ρ · V̇ = ρ · v · A ṁ Mengen- oder Massenstrom, Einheit kg/h ρ Dichte, Einheit kg/m3 Volumenstrom, Einheit m3/h V̇ v Geschwindigkeit, Einheit m/h A Fläche, Einheit m2 V̇ = v · A Kondensatrückstau Formeln siehe Kapitel 3.3.1.2 a Schallgeschwindigkeit m/s c Wärmekapazität kJ/kg.K g Erdbeschleunigung 9,81 m/s2 lLänge (charakter. Länge bzw. Durchmesser) m v Geschwindigkeit m/s α β ρ η λ Δt Wärmeübergangskoeffizient w/m2 · K Wärmeausdehnungskoeffizient 1/K spezifische Gewicht kg/m3 dynamische Viskosität (Zähigkeit) kg/s · m2 Wärmeleitfähigkeit W/m · K Temperaturdifferenz K Flächenreserve (kondensatseitige Regelung) Mc = Af / AK Af freie Fläche Ab bedeckte Fläche TM= TM= (T1 ∙ V̇1 + T2 ∙ V̇2) (V̇1 + V̇2) Der Wärmeübergang α lässt sich wie folgt berechnen: α = Nu · λ/l bzw. (T1 ∙ ṁ1 + T2 ∙ ṁ2 ) ( ṁ1 + ṁ2 ) Der Wärmeübergang zwischen einer festen Wand und einer Flüssigkeit ist abhängig von den Stoffdaten, den Oberflächenbeschaffenheiten und den Strömungsverhältnissen. Die Nusselt-Zahl ist abhängig davon, in welchem Maß die anderen Kennzahlen anzuwenden sind. Man schreibt: Nu = C · Rem · Prn · Grr Mischung von Medien T TM ṁ V̇ TM= cp Temperaturen; Einheit °C oder K Mischtemperatur; Einheit °C oder K Massen; kg bzw. als Massenstrom kg/h Volumina; l oder m3 ( T1 ∙ ṁ1 ∙ cp1 + T2 ∙ ṁ2 ∙ cp2 ) (ṁ1 ∙ cp1 + ṁ2 ∙ cp2 ) spezifische Wärmekapazität kJ/kg · K Dimensionslose Kennzahlen für Wärmeübergangsberechnungen Grashof Gr = ρ2 · β · Δt · l3 /η2 Stoffkenngröße; Verhältnis von Auftrieb und Viskosität: wichtige Kennzahl für freie Konvektion Nusselt Nu = α · l/λ Kenngröße für laminare Strömungen Reynolds Re =v · ρ · l/η Kenngröße für die Art der Strömung; Re < 2300 bedeutet in einem Rohr meist laminare Strömung, > 10,000 ist volle Turbulenz gegeben. Spirax Sarco | 59 8 − Anhang 8.3 Wärmeübergang, Wärmeleitfähigkeit 8.4 Wärmedurchgangskoeffizienten k Typische Werte für Metalle Wärmeübergangszahl α in W m² ∙ K Dampf zu Flüssigkeiten W m² ∙ K Aluminium 24,4 ⋅ 10 -6 Wasser 5.000 -10.000 Grauguss 10,8 ⋅ 10 -6 Organische Lösungsmittel 4.000 - 6.000 Glas 6,3 ⋅ 10 -6 Leichtöl 1.000 -1.600 Messing 18,8 ⋅ 10 Schweröl 600 -1.000 Stahl 11,5 ⋅ -6 10 -6 Typische Werte Wärmeleitfähigkeit α in W bei 20 °C m² ∙ K Aluminium 210 Ammoniak (0 ºC, 1bar) 21,2 Ammoniak (100 ºC, 5bar) 34,7 Asphalt 0,75 Blei 34 Bronze 50 Chromstahl 39 Chromnickelstahl 15 Gold 320 Gummi 0,16 Gusseisen 58 Kesselstein 0,1-2 (je nach Zusammensetzung) Kupfer 350 - 400 Luft (0 ºC, 1bar) 24,2 Luft (100 ºC, 1bar) 31,4 Luft (200ºC, 1bar) Messing 38,0 112 Porzellan 2-3,5 Rotguss 60 Salze 0,6 Schmiedeeisen 58 Stahl 55 V2A Stahl 15 60 | Spirax Sarco Andere Medien W m² ∙ K Wasser – Wasser 150 - 1000 Gas – Siedewasser (Verdampfung) 15 - 50 Dampf – Gas 4 - 10 (freie Strömung) 10 - 40 (erzwungene Strömung) Gas – Gas (bei 1 bar) 10 - 30 (1 bar) 50 - 400 (höhere Drücke) 8 − Anhang 8.5 M ittlere Wärmekapazitäten cm, Verdampfungswärme ∆hv Flüssigkeiten cm kJ kg ⋅ K Benzol 1,72 Techn. Öl 1,67 ∆hv kJ/kg 395 bei 1 bar/80°C Quecksilber 1,38 Ethylalkohol (0 °C) 2,3 303 bei 1bar/357°C 845 / 234 °C 2,51 1101 / 233 °C 4,6 1492 4,85 1579 5,39 1667 6,19 1711 6,73 1745 Methylalkohol ( 15-21 °C) Ammoniak (0 °C, 1 bar) Ammoniak (40 °C, 1 bar) Ammoniak (80 °C, 1 bar) Ammoniak (100 °C, 1 bar) Ammoniak (114 °C, 1 bar) Anilin (475 °C, 1 bar) 2,17 471 Azeton 2,13 523 Benzin 2,21 Benzol 1,75 Diphenylamin 1,92 Ethyläther 2,21 Ethylglykol 2,21 Glycerin 2,42 Heizöl 1,67...2,09 Kaliumhydrat 3,68 Kalziumchlorid 3,05 Kerosin 2,00 Kochsalz (NaCl) 3,3 Naphtalene 1,71 Natriumhydrat 3,93 Nitrobenzin 1,50 Olivenöl 1,96 Petroleum 2,13 Rizinusöl 1,79 Meerwasser 3,93 Sesamöl 1,63 Sojaöl 1,96 Terpentin 1,71 Toluol 1,50 cm kJ kg ⋅ K bei 100°C Metalle cm kJ kg ⋅ K bei 300°C Aluminium 0,91 0,95 Kupfer 0,39 O,40 Silber 0,23 0,24 Eisen, rein 0,463 0,468 Grauguss 0,54 0,57 Stahl 0,485 0,51 Blei 0,163 Quecksilber Gase cm kJ kg ⋅ K bei 0°C 1,38 cm kJ kg ⋅ K bei 100°C cm kJ kg ⋅ K bei 200°C cm kJ kg ⋅ K bei 300°C Luft 1,006 1,012 1,026 1,046 H2 14,38 14,4 14,42 14,45 N2 1,039 1,041 1,044 1,049 O2 CO 0,9084 1,039 0,9218 1,041 0,9355 1,046 0,9500 1,054 CO2 0,8205 0,8689 0,9122 0,9510 SO2 0,607 0,637 0,663 0,687 396 / 350 °C 854 Die Berechnung der mittleren Wärmekapazität bei der Erwärmung über einen größeren Temperaturbereich erfolgt so: (cm2 ∙ T2) - (cm1 ∙ T1) cm = (T2 - T1) Beispiel: Erwärmung von Luft von 100°C auf 200°C: cm = (1,013 kJ/kgK ∙ 200 °C) - (1,007 kJ/kgK ∙ 100 °C) (200°C-100°C) = 1,019 kJ/kg Bei Gasgemischen wird die mittlere Wärmekapazität gemäß den Masseanteilen berechnet: cm = cm1 ⋅ m1/m + cm2 ⋅ m2/m + cm3 ⋅ m3/m + ….. 362 / 383 °C Xylen 1,71 Zitronenöl 1,84 Wasser 4,2 2256 bei 1 bar/99,6 °C Eis (Wasser) 4,1 334 (Schmelzwärme) Spirax Sarco | 61 8 − Anhang 8.6 Begriffserklärung Energie, Wärme, Arbeit Drei Begriffe, die dasselbe beschreiben; die Energie eines Systems kann durch Zu- oder Abfluss von Wärme (J Joule) oder von Arbeit (Nm Newtonmeter) verändert werden. Leistung Einheit “Watt”; das ist Energie, die in einer bestimmten Zeit entsteht oder verwendet wird. Ist die verwendete Energieform “Arbeit”, rechnet sich die Arbeit so um: W=Nm/s. Ist die verwendete Energieform “Wärme”, rechnet sich die Arbeit so um: W=J/s. Rücklauf Medium vor dem Eintritt in den Wärmetauscher, d.h. vor dem Aufheizen; in der Heizungstechnik das kühlere, zum Kesselhaus/Heizraum zurückkehrende Wasser. Vorlauf Aufgeheiztes Medium nach dem Wärmetauscher; in der Heizungstechnik: das heiße Medium aus dem Kesselhaus/Heizraum. Wärmedurchgang Mit Wärmedurchgang wird die Übergabe von Wärme von einem Medium auf ein anderes beschrieben. Diese Übergabe setzt sich meist aus mehreren Wärmeübergängen und Wärmeleitungen zusammen. Wärmedurchgangskoeffizient k Dieser Koeffizient (W/m2.K) beschreibt den Übergang von Wärme von einem Medium auf ein anderes unter vorgegeben Bedingungen, z. B. Wärmeübergang von heißem auf kaltes Wasser in einem bestimmten Wärmetauscher. Wärmeleitwiderstand = 1/k (W/m2.K) ; der Wärmeleitwiderstand beschreibt die verschiedenen Widerstände, die den Wärmeübergang von einem Medium auf das andere behindern. Wärmeleitfähigkeit Die Fähigkeit eine Stoffes, Wärme zu leiten. Wärmeleitfkoeffizient λ Die spezifische Fähigkeit eine Stoffes, Wärme zu leiten wird mit dem Wärmeleifähigkeitszahl λ (W/m.K) beschrieben. Wärmeübergang Übergang der Wärme von einem Medium auf ein anderes; Wärmeübergang bedingt immer ein Temperaturgefälle. Wärmeübergangskoeffizient α Der Wärmeübergangskoeffizient α (W/m2.K) beschreibt die Fähigkeit eines Stoffes, unter definierten Bedingungen Wärme abzugeben. Da α unter anderem von den Strömungsbedingungen oder der Qualität des Mediumkontaktes abhängig ist, sind α-Werte nur als „typische“ Zahlenwerte oder für klar definierte Zustände verfügbar. Wärmetauscher = Wärmeübertrager Ein Apparat, der zwei (oder mehrere) Medien trennt, den Wärmeaustausch zwischen beiden Medien aber begünstigt. 62 | Spirax Sarco 8 − Anhang 8.7 Auswahl wichtiger Normen TRD 611 Technische Regeln für Dampfkessel, TRD 611 beschreibt die geforderte Speisewasserqualität DGRl Druckgeräterichtlinie 97/23/EG; Vorschrift für alle drucktragenden Behälter/Wärmetauscher ab einem bestimmten Volumen und einem Druck > 0,5 bar BetrSichV Betriebssicherheitsverordnung: Vorschriften zur Prüfung und wiederkehrenden Prüfung von Apparaten (Wärmetauschern) TrinkwasserV Trinkwasserverordnung u.a. für alle Apparate, die mit dem für menschlichen Gebrauch bestimmten Wasser in Kontakt kommen VDI 2035/1 Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizungsanlagen, Blatt 1, Steinbildung in Trinkwassererwärmungs- und Warmwasser-Heizungsanlagen VDI 2035/2 Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizungsanlagen, Blatt 2, wasserseitige Korrosion in Trinkwassererwärmungs- und Warmwasser-Heizungsanlagen DIN 4753 Trinkwassererwärmungsanlagen DIN EN 12828 Warmwasser-Heizungsanlagen DIN 1988-4, DIN EN1717 für Anlagenplanung und Installation von Trinkwassererwärmungsanlagen DIN 1988-8 Entfernung von Ablagerungen, Betrieb, Wartungszyklen siehe DIN 1988-8 DIN 50930-6 Wasseranalyse DIN EN 12953-10 Großwasserraumkessel, Anforderung an Kessel- und Speisewasserqualität (aus sicherheitstechnischer Sicht) DIN EN 12952-12 Wasserrohrkessel und Anlagenkomponenten, Anforderung an Kessel- und Speisewasser­ qualität (aus sicherheitstechnischer Sicht) DVGW W 512 physikalische Wasserbehandlung Spirax Sarco | 63 8 – Anhang 8.8 Mollier-Diagramm K*KG %NTHALPIE¬H ¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬ %NTROPIE¬S 64 | Spirax Sarco ¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬ 8 – Anhang 8.9 Wasserdampftafel Überdruck pe [bar] Der Überdruck ist bezogen auf einen absoluten Umgebungsdruck von 1,0 bar 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00 24,00 25,00 29,00 30,00 39,00 40,00 49,00 59,00 69,00 79,00 89,00 99,00 149,00 199,00 220,00 absoluter Druck pabs [bar] Sattdampf­ temperatur t [°C] Enthalpie Wasser h’ [kJ/kg] Verdampf.wärme ∆hv [kJ/kg] Enthalpie Dampf h’’ [kJ/kg] Volumen Dampf v’’ [m³/kg] 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00 21,00 25,00 26,00 30,00 31,00 40,00 41,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 150,00 200,00 221,00 45,8 60,1 69,1 75,9 81,3 86,0 90,0 93,5 96,7 99,6 102,3 104,8 107,1 109,3 111,4 113,3 115,2 116,9 118,6 120,2 127,4 133,5 138,9 143,6 147,9 151,8 155,5 158,8 165,0 170,4 175,4 179,9 184,1 188,0 191,6 195,0 198,3 201,4 204,3 207,1 209,8 212,4 214,9 223,9 226,0 233,8 235,7 250,3 251,8 263,9 275,6 285,8 295,0 303,3 311,0 342,1 365,7 374,2 191,8 251,5 289,3 317,7 340,6 359,9 376,8 391,7 405,2 417,0 429,0 439,0 449,0 458,0 467,0 475,0 483,0 491,0 498,0 505,0 535,0 561,0 584,0 605,0 623,0 640,0 656,0 670,0 697,0 721,0 743,0 763,0 781,0 798,0 815,0 830,0 845,0 859,0 872,0 885,0 897,0 909,0 920,0 962,0 972,0 1008,0 1017,0 1087,0 1095,0 1154,0 1214,0 1267,0 1317,0 1364,0 1408,0 1611,0 1826,0 2107,0 2393,0 2358,0 2336,0 2319,0 2305,0 2294,0 2283,0 2274,0 2266,0 2258,0 2251,0 2244,0 2238,0 2232,0 2226,0 2221,0 2216,0 2211,0 2206,0 2201,0 2181,0 2163,0 2147,0 2133,0 2120,0 2107,0 2096,0 2085,0 2065,0 2046,0 2029,0 2013,0 1999,0 1984,0 1971,0 1958,0 1945,0 1933,0 1921,0 1910,0 1899,0 1888,0 1878,0 1839,0 1829,0 1794,0 1785,0 1713,0 1705,0 1640,0 1571,0 1506,0 1443,0 1381,0 1320,0 1004,0 592,0 0,0 2584,8 2609,5 2625,3 2637,0 2645,6 2653,9 2659,8 2665,7 2671,2 2675,0 2680,0 2683,0 2687,0 2690,0 2693,0 2696,0 2699,0 2702,0 2704,0 2706,0 2716,0 2724,0 2731,0 2738,0 2743,0 2747,0 2752,0 2755,0 2762,0 2767,0 2772,0 2776,0 2780,0 2782,0 2786,0 2788,0 2790,0 2792,0 2793,0 2795,0 2796,0 2797,0 2798,0 2801,0 2801,0 2802,0 2802,0 2800,0 2800,0 2794,0 2785,0 2773,0 2760,0 2745,0 2728,0 2615,0 2418,0 2107,0 14,6700 7,6500 5,2290 3,9930 3,2400 2,7320 2,3650 2,0870 1,8690 1,6940 1,5490 1,4280 1,3250 1,2360 1,1590 1,0910 1,0310 0,9770 0,9290 0,8850 0,7180 0,6060 0,5240 0,4620 0,4140 0,3750 0,3430 0,3160 0,2727 0,2403 0,2148 0,1943 0,1774 0,1632 0,1511 0,1407 0,1317 0,1237 0,1166 0,1103 0,1047 0,0995 0,0949 0,0799 0,0769 0,0666 0,0645 0,0498 0,0485 0,0394 0,0324 0,0274 0,0235 0,0205 0,0180 0,0103 0,0059 0,0032 Dichte Dampf ρ’’ [kg/m³] 0,0682 0,1307 0,1912 0,2504 0,3086 0,3660 0,4228 0,4792 0,5350 0,5903 0,6456 0,7003 0,7547 0,8091 0,8628 0,9166 0,9699 1,0235 1,0764 1,1299 1,3928 1,6502 1,9084 2,1645 2,4155 2,6667 2,9155 3,1646 3,6670 4,1615 4,6555 5,1467 5,6370 6,1275 6,6181 7,1073 7,5930 8,0841 8,5763 9,0662 9,5511 10,0503 10,5374 12,5156 13,0039 15,0150 15,5039 20,0803 20,6186 25,3807 30,8642 36,4964 42,5532 48,7805 55,5556 97,0874 169,491 312,500 Spirax Sarco | 65 Suchwortregister A Ableiteleistung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15, 22 Absperrventile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Arbeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7, 62 B Bedeckte Fläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27, 28, 59 Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV). . . . . 56, 57, 63 Brauchwassererwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Brüdendampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Bypass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 C Carnot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5, 6 Celsius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 CIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Clapeyron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Clausius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5, 6 D Dampfbedarf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11, 58 Dampfseitige Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17, 18 Dimensionierung Kondensatableiter. . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Dimensionierung Wärmetauscher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 DIN 12828. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21, 28 Direkteinblasung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Dreiwege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Dreiwege-Regelung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11, 16, 33, 57 Durchlauferhitzer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Heron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Hydraulische Weiche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 I-J IEC 534-4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Implosionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Inbetriebnahme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Injektion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Joule. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5, 62 K-L Kalkausfall. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34, 35, 44, 45, 47 Kelvin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Kondensatableiter. . . . . . . . . . 14, 15, 16, 17, 19, 22, 27, 28, 37 Kondensatpumpe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26,27 Kondensatrückstau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21, 22, 23, 25, 59 Kondensatseitige Regelung. . . . . . . . . . . . . . . . 17, 27, 28, 59 Kontinuitätsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10, 11, 59 Kreuzstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Kugelschwimmer-Kondensatableiter. . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 k-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19, 33 Leistung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32, 33, 43, 57, 58, 62 M Maxwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Mengenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Mikroverdampfung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Mischung von Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Molchen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Mollier-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 E N Einheiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Energie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7, 58, 62 Energiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11, 23, 24, 58 Enthalpie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7, 43, 58, 65 Entlüfter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15, 17, 19, 26, 37 Nachlaufzeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Newcomen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Nicht-kondensierbare Gase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12, 63 F Papin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Plate&Shell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39, 42, 43, 56 Plattenwärmetauscher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36, 37, 41, 42 Primär . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Pump-Kondensatableiter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 P Fahrenheit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Flaschenwaschmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Formeln. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Fouling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34, 35, 57 Freie Fläche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28, 59 R G Galvanik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Gegendruck. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19, 20, 22, 25, 27 Gegenstrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9, 39 Geradrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Gibbs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Gleichstrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10, 39 Glockenschwimmer-Kondensatableiter. . . . . . . . . . . . . . . . 14 H Härte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Heizungstechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 66 | Spirax Sarco Regelung . . . . . . . . . . . . . 13, 17, 18, 27, 28, 29, 31, 32, 57, 59 Regelventil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17, 18, 19, 28 Reindampferzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Reinigung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Rohrbündel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39, 40 Rücklauf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12, 62 Rückstau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22, 23, 25 Rückstaudiagramm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24, 25 Rückstaupunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Suchwortregister S Sattdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7, 10, 11, 13 Savery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Sekundär . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Selbstreinigung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34, 36 Sicherheitstemperaturbegrenzung. . . . . . . . . . . . . . 37, 55, 57 Spannungsriss. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Speicher-Lade-System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Splitrange. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31, 32 Stabilität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Strömungsgeschwindigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11, 34 T Teillast. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19, 28 Temperaturfühler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20, 28 Thermische Kondensatableiter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Thomson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Trinkwasser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Turflow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15, 40, 41 U Überhitzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13, 42, 56 Umwälzpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37, 56 V Vakuumbrecher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22, 26, 37 Veränderliche Temperatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12, 13, 32 Veränderlicher Durchfluss. . . . . . . . . . . . . . . . . 22, 23, 24, 36 Verbraucherkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Verdampfungsenthalpie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7, 11, 15, 58 Verweilzeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Vorlauf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12, 62 W Wärme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7, 8 Wärmedurchgang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8, 13, 58, 60, 62 Wärmedurchgangsformel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Wärmedurchgangskoeffizient. . . . . . . . . . . . . . . . 8, 9, 58, 62 Wärmekapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11, 43, 58, 59, 61 Wärmeleitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8, 9, 58, 59, 60, 62 Wärmeleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Wärmeleitwiderstand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8, 62 Wärmerückgewinnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Wärmetauscher-Entwässerung. . . . . . . . . . . . . . 14, 16, 17, 41 Wärmeübergangszahl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Wartung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Wasserdampftafel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Wasserhärte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Watt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5, 58, 62 Z Zweikreis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Zweiphasen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Spirax Sarco | 67 SPIRAX SARCO GmbH Reichenaustraße 210 D – 78467 Konstanz Tel: + 49 (0)75 31/58 06-0 Fax: + 49 (0)75 31/58 06-22 [email protected] www.SpiraxSarco.de SPIRAX SARCO GmbH Niederlassung Österreich Dückegasse 7/2/1/8 A – 1220 Wien Tel: +43 (0)1/ 6 99 64-11 Fax: +43 (0)1/ 6 99 64-14 [email protected] www.SpiraxSarco.de SPIRAX SARCO GmbH Gustav-Maurer-Str. 9 CH – 8702 Zollikon ZH Tel: + 41 (0)44/ 3 96 80 00 Fax: + 41 (0)44/ 3 96 80 10 [email protected] www.SpiraxSarco.com/ch Schutzgebühr: 15 Euro
