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 |