01 Warm, wärmer, am wärmsten

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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:
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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
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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
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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.
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