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TECHNISCHE INFORMATIONEN Heißwasser und Sattdampf A Was ist Dampf? Wie andere Substanzen kann Wasser entweder in Form eines Feststoffes (als Eis), einer Flüssigkeit (als Wasser) oder auch eines Gases (als Dampf) vorkommen. In diesem Abschnitt werden wir uns weitgehend auf die flüssigen und gasförmigen Phasen sowie den Übergang von einer Phase zur anderen konzentrieren. Wenn dem Wasser Energie hinzugefügt wird, erhöht sich die Temperatur, bis ein Wert erreicht wird, an dem das Wasser nicht mehr als Flüssigkeit bestehen kann. Dieser Wert, bei dem bei weiterer Zufuhr von Energie Wasser zu Dampf verkocht, wird „Sättigungspunkt“ genannt. Die Verdampfung erfordert eine beträchtliche Menge von Energie. Die Temperatur von Wasser und Dampf bleibt dabei konstant. Wenn wir andererseits dem Dampf die Energie entziehen, die zu seiner Verdampfung aufgebracht werden musste, so kondensiert dieser, und es entsteht Wasser mit derselben Temperatur. Warum Dampf? Dampf wird seit der Industriellen Revolution als Energieträger benutzt. Zuerst zum Kochen von Nahrungsmitteln verwendet, wurde er dann vermehrt als flexibles und vielseitiges Medium zur Beheizung in der Industrie eingesetzt. Dampf wird durch das Verdampfen von Wasser erzeugt, welches in den meisten Teilen der Welt einen relativ billigen und reichlich vorhandenen Grundstoff darstellt. Die Dampftemperatur kann über den Druck sehr genau mittels Ventilen geregelt werden. Dampf enthält eine relativ große Energie bei einer kleinen Masse. Bei der Kondensierung, d.h. bei der Abgabe der Energie an einen Verbraucher, wird ein hohes Energiepotential freigesetzt, so dass das System zur Beheizung relativ klein gehalten werden kann. 00099DE-2005/R01 Änderungen vorbehalten. Die Dampfbildung Die beste Art zu erklären, wie sich Dampf bildet, ist, sich einen imaginären, idealisierten Versuch vorzustellen (siehe Abb. 1). Wir nehmen einen Zylinder, der unten verschlossen ist, und umgeben ihn mit einer perfekten Isolierung, so dass kein Heizverlust entsteht. Wenn wir 1 kg Wasser in den Zylinder bei der Temperatur von schmelzendem Eis (0 °C) hineingeben, können wir dies als Bezugspunkt verwenden und (für unsere Zwecke) behaupten, dass die darin enthaltene Wärmemenge oder Enthalpie Null ist. Jedes Hinzufügen von Wärme zum Wasser würde zu einer Erhöhung der Temperatur führen, bis 100 °C erreicht sind (der Zylinder ist oben offen, so dass das Wasser nur mit dem atmosphärischen Druck beaufschlagt wird). Bei jedem weiteren Hinzufügen von Enthalpie kann das Wasser nicht länger als Flüssigkeit bestehen, und etwas davon verkocht zu Dampf. Die Enthalpie, die in einem kg Wasser in flüssigem Zustand bei Siedetemperatur enthalten ist, wird die „spezifische Enthalpie des gesättigten Wassers“ genannt und mit dem Symbol „hf“ angegeben. Die zusätzliche Enthalpie, die einem kg Wasser hinzugefügt werden muss, um es in Dampf zu verwandeln, wird die „spezifische Enthalpie der Verdampfung“ genannt und mit dem Symbol „hfg“ bezeichnet. Die Enthalpie, die insgesamt in jedem kg Dampf enthalten ist, ist somit die Summe dieser beiden Enthalpien. Sie wird die „spezifische Enthalpie von Dampf“ genannt und kann wie folgt angegeben werden: hf + hfg = hg. Wenn die gesamte spezifische Enthalpie der Verdampfung dem kg Wasser in unserem Zylinder hinzugefügt wurde, ist das Wasser insgesamt als Dampf bei atmosphärischem Druck vorhanden. Sein Volumen wird um mehr als das 1.600fache größer sein als das des flüssigen Wassers. Offensichtlich werden Wasser­­­moleküle im flüssigen Zustand viel enger zusammengehalten als Dampf­­moleküle. Die Verdampfung kann man sich als einen Prozess vorstellen, bei dem jedem Molekül so viel Energie hinzugefügt wird, dass die Bindungen, die die Moleküle aneinander halten, aufbrechen, sich somit von der Flüssigkeit im Zylinder lösen und in die Gasphase übergehen können. Nun könnte man annehmen, dass es für die Moleküle schwieriger wird, sich zu lösen, wenn der Druck auf die Flüssigkeit erhöht wird. Wir müssten mehr Energie hinzufügen, bevor sie die Bindungen aufbrechen und in die Gasphase übergehen könnten. D.h. dass die Temperatur des Wassers über 100 °C steigen müsste, bevor es zum Sieden kommt. Das geschieht tatsächlich in der Praxis. Wenn wir nun unseren imaginären Zylinder mit einem reibungslosen Kolben ausstatten würden, auf dem oben ein Gewicht angebracht ist, um Druck auf das Wasser auszuüben, so könnte die Wassertemperatur über 100 °C erhöht werden, bevor eine Verdampfung eintritt. Es gibt jedoch für jeden bestimmten Druck eine entsprechende Temperatur, bei dem Wasser nicht als Flüssigkeit bestehen kann und jede weiter hinzugefügte Enthalpie oberhalb der „spezifischen Enthalpie von gesättigtem Wasser“ führt dazu, dass noch mehr Flüssigkeit verdampft. Wenn andererseits der Druck des Wassers unterhalb des normalen atmosphärischen Drucks gesenkt wird, können sich die Moleküle leichter lösen. Sie benötigen ein niedrigeres Energiepotential, so dass sich die Tempera- Gewicht Kolben Energiezufuhr 1 kg Wasser Thermometer Abb. 1 tur (und die entsprechende „Enthalpie des gesättigten Wassers“), bei der ein Sieden stattfindet, reduzieren. DEFINITIONEN Enthalpie Dies ist der Begriff, der für den gesamte Energie gilt, abhängig vom Druck und der Temperatur einer Flüssigkeit oder eines Gases (wie z.B. Wasser oder Dampf) bei einer beliebig gegebenen Zeit und in einem beliebig gegebenen Zustand. Die Grundmaßeinheit für alle Arten von Energie ist das Joule (J). Da ein Joule eine sehr kleine Menge Energie darstellt, multipliziert man es normalerweise mit 1.000 und verwendet Kilojoule (kJ). Spezifische Enthalpie Das ist die Enthalpie (die gesamte Energie) einer Masseeinheit (1 kg). Die allgemein verwendeten Einheiten sind kJ/kg. Spezifische Wärmekapazität Ein Maß für die Fähigkeit einer Substanz, Wärme zu absorbieren. Es ist die Menge von Energie (Joule), die erforderlich ist, um 1 kg um 1 K zu erhöhen. Die spezifische Wärmekapazität wird somit in kJ/kgK ausgedrückt. Weitere Informationen unter: www.asconumatics.de V055-1 Heißwasser und Sattdampf - TECHNISCHE INFORMATIONEN Absoluter Druck und Überdruck Der theoretische drucklose Zustand eines perfekten Vakuums ist der „absolute Nullpunkt“. Der absolute Druck ist deshalb der Druck oberhalb des absoluten Nullpunkts. Der Druck, der z.B. durch die Atmosphäre ausgeübt wird, beträgt 1,013 bar abs. bei Meereshöhe. Der Überdruck ist der Druck, der auf einem Standardmanometer angezeigt wird, das in einem Dampfsystem installiert ist. Da der Überdruck der Druck oberhalb des atmosphärischen Druckes ist, entspricht der Nullpunkt auf der Skala eines solchen Manometers ungefähr 1,013 bar abs. Ein Druck von 3 bar abs. würde also aus 1,987 bar Überdruck plus 1,013 bar absolutem atmosphärischen Druck bestehen. Wärme und Wärmeübertragung Wärme ist eine Form von Energie und als solche Teil der Enthalpie einer Flüssigkeit oder eines Gases. Die Wärmeübertragung ist der Enthalpiefluss von einer Materie mit hoher Temperatur zu einer Materie mit niedriger Temperatur, wenn diese zusammengebracht werden. Enthalpie gesättigten Wassers Nehmen wir an, dass Wasser mit einer Temperatur von 10 °C für die Speisung eines Siedekessels bei atmosphärischem Druck zur Verfügung steht, und dass das Wasser bei 100 °C anfangen wird zu sieden. 4.186 kJ sind erforderlich, um die Temperatur jedes kg Wasser um 1 °C zu erhöhen. Für jedes kg Wasser im Siedekessel erhöht sich also die Enthalpie bei einer Anhebung der Temperatur von 10 °C auf 100 °C um (90 × 4,186) = 376,74 kJ. Wenn der Siedekessel nun 10.000 kg Masse (10.000 l) enthält, muss die Enthalpie um 376,94 kJ/kg × 10.000 kg = 3.767.400 kJ erhöht werden, damit sie zum Sieden kommt. Diese Zahl ist nicht die Enthalpie des gesättigten Wassers, sondern der Wert, um den die Enthalpie zunehmen muss, damit die Temperatur von 10° C auf 100 °C erhöht wird. Der Bezugspunkt für Dampftabellen ist Wasser bei 0 °C, wobei wir für unsere Betrachtungen annehmen, dass die darin enthaltene Wärmemenge Null ist. (Die absolute Wärmemenge würde auf jeden Fall beträchtlich sein, wenn sie vom absoluten Nullpunkt aus bei -273 °C gemessen würde.) Die Enthalpie gesättigten Wassers bei 100 °C ist also: 100 × 4,186 = 418,6 kJ. Sattdampfenthalpie Wir haben festgestellt, dass der in unserem Siedekessel erzeugte Dampf eine Enthalpie enthält, die aus zwei Werten berechnet wird. Die Summe dieser zwei Enthalpien wird „Sattdampfenthalpie“ genannt. In jedem kg Masse Dampf bei 100 °C und atmosphärischem Druck beträgt die Enthalpie gesättigten Wassers 419 kJ, die Ver­ dampfungsenthalpie 2.257 kJ und somit die Satt­dampfenthalpie 2.676 kJ. Diese Zahlen sind den Dampftabellen entnommen. Dampfdruck Wir haben bereits den Begriff „atmosphärischer Druck“ erwähnt. Es handelt sich dabei ganz einfach um den Druck, der von der Erdatmosphäre auf allen Dingen in allen Richtungen ausgeübt wird. Die Einheit für den Druck ist das Bar (1 bar = 100 kPa). Der Druck, der von der Atmosphäre ausgeübt wird, wenn Wasser bei 100 °C siedet, beträgt 1,01325 bar. Dies ist so nahe an 1 bar, dass wir normalerweise für fast alle praktischen Zwecke den atmosphärischen Druck als 1 bar annehmen. Kommen wir wieder auf unseren bereits erwähnten imaginären Zylinder mit dem reibungslosen Kolben zurück. Wenn Wasser im Zylinder erhitzt wird, bis sich Dampf bildet, so baut sich dieser unterhalb des Kolbens auf, bis der Druck des Dampfes und des Wassers ausreicht, um das Gewicht des Kolbens auszugleichen. Wenn noch mehr Wasser verdampft, wird der Kolben im Zylinder hochgedrückt, wobei der Druck konstant bleibt. Wenn es möglich wäre, mehr Wasser in den Zylinder zu pumpen, könnten wir die Wasserhöhe beibehalten und gleichzeitig Dampf freisetzen, der den Kolben noch weiter im Zylinder hochtreiben würde. Wir haben bereits gesagt, dass die Temperatur des gesättigten Wassers und des Dampfes höher ist als 100 °C, wenn der Zylinder oder der Siedekessel bei einem Druck oberhalb des atmosphärischen Druckes betrieben wird. Würde der Druck 10 bar absolut betragen, so wäre die Temperatur des gesättigten Wassers 180 °C. Um diese hohe Temperatur zu erreichen, muss dem Wasser eine größere Menge „Enthalpie des gesättigten Wassers“ zugeführt werden. Andererseits stellen wir fest, dass die Verdampfungs­enthalpie, die benötigt wird, um das gesättigte Wasser in Dampf zu verwandeln in dem Maße reduziert wird, wie sich der Druck erhöht. Bei einem hohen Druck hängen die Dampfmoleküle enger zusammen und die zusätzliche Energie, die erforderlich ist, damit sie sich vom Absolutdruck (bar) Weitere Informationen unter: www.asconumatics.de V055-2 Dampfvolumen Wenn insgesamt 1 kg (Masse) Wasser (dessen Volumen 1 Liter beträgt) zu Dampf verwandelt wird, erhält man genau 1 kg (Masse) Dampf. Das Volumen, das von einer gegebenen Masse eingenommen wird, hängt jedoch von ihrem Druck ab. Bei atmosphärischem Druck nimmt 1 kg Dampf fast 1.673 m³ ein. Bei einem Druck von 10 bar abs. nimmt 1 kg Dampf lediglich 0,1943 m³ ein. Das Volumen eines Kilos Dampf bei einem gegebenen Druck wird „spezifisches Volumen“ genannt (Vg). Das Volumen, das eine Masseeinheit Dampf einnimmt, verringert sich in dem Maße, wie sich der Druck erhöht. Dies wird graphisch in Abb. 2 dargestellt. FORMEN VON DAMPF Trockendampf und Nassdampf Die Dampftabelle zeigt die Eigenschaften des „trockenen Sattdampfes“. Dabei handelt es sich um völlig gelösten Dampf, in dem keine Wassertröpfchen mehr enthalten sind. In der Praxis jedoch enthält Dampf meist noch winzige Wassertröpfchen und kann daher nicht als trockener Sattdampf bezeichnet werden. Es ist jedoch wichtig, dass der Dampf, der für eine direkte Weiterverarbeitung oder zur Beheizung verwendet wird, so trocken wie möglich ist. Die Dampfqualität wird durch ihren „Trockenheitsfaktor“ angegeben, und zwar dem Anteil des vollständigen Trockendampfes, der in dem in Frage kommenden Dampf enthalten ist. Der Dampf wird „nass“, wenn Wassertropfen im Dampfvolumen als Schwebestoffe enthalten sind, und er keine spezifische Verdampfungsenthalpie enthält. Die winzigen Wassertropfen im Nassdampf weisen zwar ein Gewicht auf, nehmen jedoch nur einen vernachlässigbaren Raum ein. Das Volumen des Nassdampfes ist daher geringer als das des trockenen Sattdampfes (es sind die schwebenden Wassertröpfchen, die den Nassdampf sichtbar machen). Dampf ist ein transparentes Gas und die darin enthaltenen Wassertropfen sorgen für das weiße, nebelartige Aussehen, da sie das Licht reflektieren. 20 Verdampfungsenthalpie Nehmen wir nun an, dass der Dampf, der im Siedekessel entsteht, in die Atmosphäre entweichen kann. Wenn das Wasser 100 °C erreicht hat, findet die Wärmeübertragung zwischen dem Ofen und dem Wasser zwar immer noch statt, aber die Temperatur wird nicht weiter erhöht. Die zusätzliche Wärme wird dazu benutzt, das Wasser in Dampf umzuwandeln. Die Enthalpie, die eine Änderung des Zustands von einer Flüssigkeit zu einem Gas verursacht, ohne dabei die Temperatur zu ändern, wird die „Verdampfungsenthalpie“ genannt. Die Verdampfungsenthalpie ist der Unterschied zwischen der Enthalpie von gesättigtem Wasser und der von trockenem Sattdampf. flüssigen Wasser lösen (in dem sie bereits eine hohe Energiedichte haben), reduziert sich. (Bei einem sehr hohen Druck oberhalb ca. 221 bar entspricht die Energiedichte der Dampfmoleküle ungefähr dem der Wassermoleküle und die Verdampfungs­enthalpie wird zu null.) 15 10 5 0 0 1 Spezifisches Volumen - m3/kg 2 Abb. 2 00099DE-2005/R01 Änderungen vorbehalten. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt 4,186 kJ/kgK. Einfach gesagt, bedeutet das, dass bei Erhöhung der Enthalpie um 4,186 kJ, die Temperatur von 1 kg Wasser um 1 K steigt. Heißwasser und Sattdampf - TECHNISCHE INFORMATIONEN Heißdampf Solange noch Wasser vorhanden ist, entspricht die Temperatur von Sattdampf der Zahl, die für den entsprechenden Druck in der Dampftabelle angegeben ist. Wenn jedoch die Wärmezufuhr anhält, nachdem das Wasser vollständig verdampft ist, erhöht sich die Temperatur des Dampfes weiter. Der Dampf wird dann als „überhitzt“ bezeichnet. Dieser „Heißdampf“ kann jede beliebige Temperatur oberhalb der Sattdampfkennlinie annehmen, deren Temperatur durch den Druck bestimmt wird. Sattdampf kondensiert auf jeder Oberfläche, die eine niedrigere Temperatur aufweist, wobei die Verdampfungs­enthalpie abgegeben wird, die, wie wir gesehen haben, den größeren Anteil des Energieinhalts darstellt. Wenn Heißdampf andererseits etwas von seiner Enthalpie abgibt, geschieht dies aufgrund eines Temperaturrückganges. Es tritt so lange keine Kondensation auf, bis die Sättigungstemperatur erreicht wird. Darüber hinaus hat man festgestellt, dass der Temperaturabfall, bei dem ein wirklicher Energiefluss zustande kommt, bei Heißdampf oft geringer als bei Sattdampf ist, obwohl der Heißdampf eine höhere Temperatur aufweist. 00099DE-2005/R01 Änderungen vorbehalten. DAMPFERZEUGUNG Verdampfungsenthalpie 2 015,3 kJ Enthalpie gesättigten Dampfes 2 676,0 kJ Enthalpie gesättigten Dampfes 2 778,1 kJ Enthalpie gesättigten Wassers 419,9 kJ Enthalpie gesättigten Wassers 762,8 kJ Abb. 3 Abb. 4 Sättigungsfaktor Die chemisch gebundene Energie, die in Kohle, Gas oder anderen Brennstoffen enthalten ist, wird bei der Verbrennung des Heizmediums in Heizenergie umgewandelt. Diese Heizenergie wird über die Wandung des Kesselofens auf das Wasser übertragen. Die Temperatur des Wassers erhöht sich aufgrund der Zuführung dieser Energie bis zum Sättigungspunkt. Es beginnt zu sieden. Die hinzugefügte Heizenergie, die eine Erhöhung der Wassertemperatur zur Folge hatte, ist als „Enthalpie des gesättigten Wassers“ bekannt (hf). Am Siedepunkt wird das Wasser „gesättigtes Wasser“ genannt. Die Wärmeübertragung von der Ofenwandung auf das Wasser hält an. Die durch diese Wärmeübertragung zusätzlich übergebene Enthalpie erhöht nicht die Wassertemperatur. Sie lässt das Wasser verdampfen und in den Dampfzustand übergehen. Die Enthalpie, die diese Zustandsänderung herbeiführt, ohne die Temperatur neu zu ändern, ist als „Verdampfungsenthalpie“ (hfg) bekannt. Der Dampf, der in unserem Kessel erzeugt wird, enthält somit zwei verschiedene Enthalpien, die Enthalpie gesättigten Wassers und die Verdampfungsenthalpie. Wenn wir diese zwei addieren, erhalten wir die „Sattdampfenthalpie“ (hg). Somit ist hf + hfg = hg In Abb. 3 wird die Sattdampfenthalpie bei atmosphärischem Druck dargestellt.Vergleichen Sie diese mit Abbildung 4, in der die geänderte Enthalpie des Sattdampfes bei einem höheren Druck von 10 bar abs. gezeigt wird. Lt. Abb. 4 hat die Enthalpie eines Kilos gesättigten Dampfes, wenn auch nur geringfügig (um 102,1 kJ), zugenommen. Ebenso hat sich die Enthalpie des gesättigten Wassers deutlich erhöht (um 343,8 kJ), wohingegen die Verdampfungsenthalpie abgenommen hat (um 247,7 kJ). Die daraus resultierenden Grundregeln sind: I) Wenn sich der Dampfdruck erhöht, - nimmt die Enthalpie des Sattdampfes leicht zu; - nimmt die Enthalpie des gesättigen Wassers leicht zu; Verdampfungsenthalpie 2 257,0 kJ T2 E 200 T1 B G D Konstanter Druck F 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 C Überhitzter Bereich 100 Sattdampf A Enthalpie/°C Spezifische Enthalpie gesättigten Wassers Spezifische Verdampfungsenthalpie Grafik Temperatur - Enthalpie/°C Abb. 5 Weitere Informationen unter: www.asconumatics.de V055-3 A Heißwasser und Sattdampf - TECHNISCHE INFORMATIONEN - verringert sich die Verdampfungs­ enthalpie. II) Wenn der Dampfdruck abnimmt, - verringert sich die Enthalpie des Sattdampfes geringfügig; - nimmt die Enthalpie des gesättigten Wassers ab; - erhöht sich die Verdampfungsenthalpie. Je niedriger also der Dampfdruck ist, um so höher ist die Verdampfungsenthalpie. Das vereinfachte Mollier-Diagramm (Abb. 5) zeigt die Zustandsänderung von Wasser zu Dampf und die Auswirkung, die eine Hinzufügung von Enthalpie auf jede Phase hat. Die vertikale Achse zeigt die Temperatur. Die horizontale Achse stellt die tatsächliche Enthalpie dar, geteilt durch die Temperatur, bei der die Enthalpie hinzugefügt wird. Die Verwendung dieses ziemlich künstlichen Faktors bedeutet, dass der Bereich unterhalb der Linien in der Grafik die Enthalpie darstellt. Damit kann anhand des Diagramms leicht die Information gezeigt werden, die ansonsten Dampftabellen entnommen werden muss. Am Punkt A in der Grafik wird davon ausgegangen, dass das Wasser bei 0°C einen Enthalpiegehalt von 0 aufweist. Bei der Hinzufügung von Enthalpie erhöht sich die Temperatur entlang der Linie AB. Punkt B ist der Sättigungspunkt T1 (Siedepunkt), der dem Druck im System entspricht. Zwischen Punkt B bis Punkt C wird Verdampfungs­enthalpie bei einer konstanten Temperatur T1 hinzugefügt. Jede weitere Hinzufügung von Enthalpie über den Punkt C hinaus, erhöht die Temperatur des Dampfes, z.B. auf T2 bei Punkt D: Der Teil der Grafik rechts der Linie, auf der sich C und D befinden, zeigt den Heißdampf an. T2 ist die Temperatur des Heißdampfes und T2 - T1 ist die Menge an hinzugefügter Überhitzungswärme. Eine Erhöhung des Druckes auf das Wasser und dem Dampf hat die Kurve AEFG zur Folge. Kessel durch die Hinzufügung von Wärme stattfindet. Es ist die Verdampfungsenthalpie, die vom Dampf bei der Kondensation abgegeben wird. Abb. 2 zeigt einen Behälter mit Heizschlange, wie man ihn überlicherweise in Fabriken findet, die mit Dampf arbeiten. Der Behälter wird mit dem zu erhitzenden Produkt gefüllt und Dampf wird in die Schlange eingeführt. Der Dampf gibt seine Verdampfungsenthalpie an die Metallwandung der Schlange ab, die sie an das Produkt überträgt. Bei der Kondensation des Dampfes bildet sich heißes Wasser, das in den unteren Bereich der Schlange fließt. Dieses „Kondensat“, wie es genannt wird, muss abgeleitet werden. Abb. 6 Wenn der Dampf in der Schlange schneller kondensiert als das Kondensat abgeleitet werden kann, füllt sich die Schlange unten mit Wasser, wie in Abb. 7 gezeigt. Dies wird „Wasserstau“ genannt. Der im Kessel erzeugte Dampf wird über Rohrleitungen dort hingeführt, wo die Heizenergie benötigt wird. Zuerst einmal werden eine oder mehrere Dampfversorgungsleitungen vom Kessel in die Richtung geführt, in der sich das Werk befindet, das den Dampf benötigt. Kleinere Abzweigleitungen bringen dann den Dampf zu den einzelnen Anlagen. Wenn das Ventil im Kessel geöffnet wird (selbstverständlich langsam) strömt der Dampf sofort vom Kessel durch die Versorgungsleitung. Die Verrohrung ist zu Anfang kalt und somit findet eine Wärmeübertragung vom Dampf statt. Die Luft, die die Rohre umgibt, ist ebenfalls kälter als der Dampf und so wird das System beginnen, Wärme an die Luft abzugeben, wenn es sich erhitzt. Dieser Wärmeverlust an die Atmosphäre verursacht, dass noch mehr Dampf kondensiert. Der Verlust an Enthalpie aus der Dampfleitung kann nur durch die weitere Kondensation eines Teils des Dampfes ausgeglichen werden, unabhängig davon, wie groß oder klein diese Enthalpiemenge ist. Das Wasser läuft im Rohr nach unten und wird mit dem Dampf zu tieferliegenden Punkten in der Versorgungsleitung mitgerissen. Wenn ein Ventil von ASCO an einer Anlage geöffnet wird, die Dampf verwendet, so strömt der Dampf aus dem Verteilersystem in die Anlage und kommt dort wiederum mit kühleren Oberflächen in Berührung. Der Dampf gibt also seine Verdampfungsenthalpie auf und kondensiert. Nun strömt Dampf kontinuierlich aus dem Kessel. Um die Versorgung aufrechtzuhalten, muss entsprechend Dampf erzeugt werden. Dazu wird dem Ofen weiter Brennstoff zugeführt und Wasser in den Kessel gepumpt, um das Wasser nachzuspeisen, das für die Dampferzeugung verbraucht wurde. Der allgemein übliche Dampfkreislauf sollte dadurch vervollständigt werden, dass alles Kondensat in den Sammelbehälter zurückgeführt wird (siehe Abb. 8). Dampfkondensation Sobald der Dampf aus dem Kessel entweicht, gibt er einen Teil seiner Enthalpie auf jede beliebige Oberfläche ab, die eine niedrigere Temperatur aufweist. Der dabei kondensierende Dampf nimmt dieselbe Temperatur an. Dieser Prozess ist die genaue Umkehrung der Änderung von Wasser in Dampf, die im Abb. 7 Dampf Heizbecken DER DAMPFKREISLAUF Heizbecken Verfahrensbehälter Gebäudeheizung Dampf Speisewasser Becken Kondensat Dampf Speisepumpe Abb. 8 Weitere Informationen unter: www.asconumatics.de V055-4 00099DE-2005/R01 Änderungen vorbehalten. Sammelbehälter Heißwasser und Sattdampf - TECHNISCHE INFORMATIONEN DAMPFTABELLEN (Seite 6) DAMPFSTROM Wir haben bereits erfahren, dass es einen Zusammenhang zwischen dem Dampfdruck und der Sättigungstemperatur gibt, dass die Enthalpie des gesättigten Wassers, die Verdampfungsenthalpie und die Sattdampf­ enthalpie variieren und vom Druck beeinflusst werden, und dass sich das Volumen bei einer Druckschwankung ebenfalls ändert. Da sich die Enthalpiewerte auf 1 kg (Masse) beziehen, werden sie „spezifische Enthalpie des gesättigten Wassers“, „spezifische Ver­ dampfungsenthalpie“ und „spezifische Satt­ dampfenthalpie“ benannt. Die Werte sind in den sieben Spalten der Dampftabelle auf der folgenden Seite angegeben. Um die Temperatur des Sattdampfes bei einem gegebenen absoluten Druck zu berechnen, verwenden Sie die folgende Näherungsformel: Aufgrund der Eigenschaften des Dampfes, müssen einige Regeln berücksichtigt werden, um das Rohrnetz für die Dampfförderung richtig zu berechnen. Bei der Durchströmung des Dampfes durch das Rohrnetz entsteht ein gewisser Druckverlust aufgrund der Reibung an den Rohrwandungen. Um die Verluste und den Verschleiß innerhalb zumutbarer Grenzen zu halten, soll sich die Dampfgeschwindigkeit nach den folgenden praktischen Werten orientieren: Hauptversorgungsleitung Verteilungsleitungen Verbraucherleitungen Kondensatleitungen : 20 - 40 m/s : 15 - 20 m/s : 10 - 15 m/s : 15 m/s Die Dampfgeschwindigkeit wird mit der folgenden Formel berechnet: V= Q (m / s ) A ⋅ 3600 Q = Qm · Vg (m3/s) T = (Pa0,26) x 100 (°C) V Q Qm Vg A Pa = Druck abs. = Dampfgeschwindigkeit (m/s) = Durchfluss (m³/h) = Massendurchfluss (kg/h) = Spezifisches Dampfvolumen (m³/kg) = Rohrquerschnitt (m²) Eine Rohrleitung mit einem Querschnitt von 1 cm² (d = 12,7 mm), die mit einem Druck von 1 bar Überdruck beaufschlagt wird, fördert 10 kg/h Dampf mit einer Geschwindigkeit von ca. 25 m/s. Um den Betrieb vorgesteuerter Magnetventile sicherzustellen, ist es wichtig, den Mindestdurchfluss zu wissen, der für die sichere Funktion des Ventils erforderlich ist. Der Massendurchfluss wird in kg/h ausgedrückt und kann anhand der folgenden Formel errechnet werden: Qm = Kv · Fgm (kg/h) Kv = Durchflusswert (m3/h) Fgm = Faktor aus Grafik (kg/m³) Ein vorgesteuertes Magnetventil mit einem Kv = 4,3 (m³/h) und einem Betriebsdruck von mindestens 0,35 bar wird mit einem Dampfsystem mit 6 bar Überdruck verbunden. Der Mindestmassendurchfluss Qm kann für die obige Anwendung wie folgt ermittelt werden: Wählen Sie in Abb. 9 den Primärdruck von 6 bar Überdruck und kreuzen Sie horizontal die Kurve für einen Druckabfall von 0,35 bar, dann finden Sie vertikal auf der Fgm -Skala den Wert 35. Qm = 4,3 · 35 = 150,5 kg/h Das Rohrnetz muss mindestens diesen Massendurchfluss befördern. Wenn dieser Durchfluss kritisch ist oder nicht erreicht wird, ist es empfehlenswert, ein Ventil mit einem niedrigeren Kv-Wert auszuwählen. DRUCKBEREICH 1 - 10 bar PRIMÄRDRUCK AUF DAS VENTIL (ÜBERDRUCK) 00099DE-2005/R01 Änderungen vorbehalten. DRUCKVERLUST IM VENTIL (bar) Begrenzungskurve für Durchfluss - keine Werte hinter der Kurve auswählen. Faktor aus Grafik Fgm (m3/h) 0 0,6 1,2 1,8 2,4 3,0 3,6 4,2 4,8 5,4 6,0 6,6 7,2 7,8 8,4 9,6 Faktor aus Grafik Fgl (l/min) Abb. 9 Weitere Informationen unter: www.asconumatics.de V055-5 A Dampftabelle - TECHNISCHE INFORMATIONEN Siedepunkt (Medium) (°C) 17,51 45,81 60,06 69,1 75,87 81,33 85,94 89,95 93,5 96,71 99,63 100 102,32 104,81 107,13 109,32 111,37 113,32 115,17 116,93 118,62 120,42 120,23 123,27 126,09 128,73 131,2 133,54 133,69 138,87 143,63 147,92 151,85 151,96 155,47 158,84 160 161,99 164,96 165 167,76 170,42 172,94 175,36 177,67 179,88 179,97 184,06 184,13 187,96 191,6 194,04 198,28 212,37 217,24 219,55 221,78 223,94 224,02 233,84 242,54 250,33 251,8 Relativer Druck (im Katalog Absolutangedruck gebene Werte) (bar) (bar) 0,02 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0 1,013 0,087 1,1 0,187 1,2 0,287 1,3 0,387 1,4 0,487 1,5 0,587 1,6 0,687 1,7 0,787 1,8 0,887 1,9 1 2,013 0,987 2 1,187 2,2 1,387 2,4 1,587 2,6 1,787 2,8 1,987 3 2 3,013 2,487 3,5 2,987 4 3,487 4,5 3,987 5 4 5,13 4,487 5,5 4,987 6 5 6,013 5,487 6,5 5,987 7 6 7,013 6,487 7,5 6,987 8 7,487 8,5 7,987 9 8,487 9,5 8,987 10 9 10,013 9,987 11 10 11,013 10,987 12 11,987 13 12,987 14 13,987 15 18,987 20 21 22,013 21,987 23 22,987 24 23,987 25 24 25,013 28,987 30 33,987 35 38,987 40 40 41,013 Spezifisches Volumen (Dampf) Dichte (Dampf) Spezifische Enthalpie flüssigen Wassers (fühlbare Wärme, hf) (m3/kg) 67,006 14,674 7,649 5,229 3,993 3,24 2,732 2,365 2,087 1,869 1,694 1,673 1,549 1,428 1,325 1,236 1,159 1,091 1,031 0,977 0,929 0,881 0,885 0,81 0,746 0,693 0,646 0,606 0,603 0,524 0,462 0,414 0,375 0,374 0,342 0,315 0,31 0,292 0,273 0,272 0,255 0,24 0,227 0,215 0,204 0,194 0,19 0,177 0,177 0,163 0,151 0,141 0,132 0,1 0,091 0,087 0,083 0,080 0,0797 0,067 0,057 0,050 0,048 (kg/m3) 0,015 0,0681 0,1307 0,1912 0,2504 0,3086 0,336 0,4228 0,4791 0,535 0,59 0,5977 0,645 0,7 0,755 0,809 0,863 0,916 0,97 1,023 1,076 1,1350 1,129 1,235 1,34 1,444 1,548 1,651 1,6583 1,908 2,163 2,417 2,669 2,6737 2,92 3,17 3,1746 3,419 3,667 3,6764 3,915 4,162 4,409 4,655 4,901 5,147 5,1546 5,638 5,6497 6,127 6,617 7,106 7,596 10,047 11,032 11,525 12,02 12,515 12,547 15,009 17,536 20,101 20,619 (kj/kg) (Kcal/kg) (kj/kg) 73,45 17,54 2460,19 191,83 45,82 2392,8 251,4 60,05 2358,3 289,23 69,09 2336,1 317,58 75,86 2319,2 340,49 81,34 2305,4 359,86 85,96 2293,6 376,7 89,99 2283,3 391,66 93,56 2274,1 405,15 96,78 2265,7 417,51 99,72 2257,92 419,04 100,1 2257 428,84 102,43 2250,76 439,36 104,94 2244,08 449,19 107,29 2237,79 458,42 109,49 2231,86 467,13 111,57 2226,23 475,38 113,54 2220,87 483,22 115,42 2215,75 490,7 117,2 2210,84 497,85 118,91 2206,13 505,6 120,78 2201,1 504,71 120,55 2201,59 517,63 123,63 2192,98 529,64 126,5 2184,91 540,88 129,19 2177,3 551,45 131,71 2170,08 561,44 134,1 2163,22 562,2 134,3 2163,3 584,28 139,55 2147,35 604,68 144,43 2132,95 623,17 148,84 2119,71 640,12 152,89 2107,42 640,7 153,05 2108,1 655,81 156,64 2095,9 670,43 160,13 2085,03 670,09 160,27 2086 684,14 163,4 2074,73 697,07 166,49 2064,92 697,5 166,62 2066 709,3 169,41 2055,53 720,94 172,19 2046,53 732,03 174,84 2037,86 742,64 177,38 2029,49 752,82 179,81 2021,4 762,6 182,14 2013,56 763 182,27 2015,1 781,11 186,57 1998,55 781,6 186,71 2000,1 798,42 190,7 1984,31 814,68 194,58 1970,73 830,05 198,26 1957,73 844,64 201,74 1945,24 908,56 217,01 1888,65 930,92 222,35 1868,11 941,57 224,89 1858,2 951,9 227,36 1848,49 961,93 229,75 1838,98 952,2 229,86 1840,9 1008,33 240,84 1793,94 1049,74 250,73 1752,2 1087,4 259,72 1712,94 1094,56 261,43 1705,33 Siedepunkt: Temperatur von Sattdampf oder kochendem Wasser unter konstantem Druck. Relativdruck: Druck über dem von einem handelsüblichen Manometers gemessenen Atmosphärendrucks Absolutdruck: Relativdruck + 1,013 bar (normaler Atmosphärendruck auf Meereshöhe bei 0°C). Spezifisches Volumen von Dampf: Volumen (Kubikmeter), das von 1 kg Dampf eingenommen wird. Dichte (bzw. Massendichte) von Dampf: Spezifische Masse Wasserdampf pro Kubikmeter. Spezifische Enthalpie flüssigen Wassers: fühlbare Wärme; die in einem Kilogramm kochenden Wassers enthaltene Wärmemenge. Weitere Informationen unter: www.asconumatics.de V055-6 Spezifische Verdampfungsenthalpie (latente Wärme, hfg) (Kcal/kg) 587,61 571,61 563,37 558,07 554,03 550,74 547,92 545,46 543,26 541,25 539,3 539,17 537,59 535,99 534,49 533,07 531,73 530,45 529,22 528,05 526,92 525,82 525,84 523,78 521,86 520,04 518,32 516,68 516,79 512,89 509,45 506,29 503,35 503,6 500,6 498 498,32 495,54 493,2 493,54 490,96 488,8 486,73 484,74 482,8 480,93 481,39 477,35 477,8 473,94 470,7 467,6 464,61 451,1 446,19 443,82 441,5 439,23 439,77 428,48 418,51 409,13 407,31 Spezifische Enthalpie von Wasserdampf (Gesamtwärme, hg) (kj/kg) 2533,64 2584,7 2609,7 2625,3 2636,8 2645,9 2653,5 2660 2665,8 2670,9 2675,43 2676 2679,61 2683,44 2686,98 2690,28 2693,36 2696,25 2698,97 2701,54 2703,98 2706,7 2706,29 2710,6 2714,55 2718,17 2721,54 2724,66 2725,5 2731,63 2737,63 2742,88 2747,54 2748,8 2751,7 2755,46 2756,9 2758,87 2761,98 2763,5 2764,84 2767,46 2769,89 2772,13 2774,22 2776,16 2778,1 2779,66 2781,7 2782,73 2785,42 2787,79 2789,88 2797,21 2799,03 2799,77 2800,39 2800,91 2803,1 2802,27 2801,95 2800,34 2799,89 (Kcal/kg) 605,15 617,46 623,43 627,16 629,9 632,16 633,89 635,45 636,83 638,05 639,02 639,27 640,01 640,93 641,77 642,56 643,3 643,99 644,64 645,25 645,83 646,6 646,39 647,42 648,36 649,22 650,03 650,77 651,09 652,44 653,87 655,13 656,24 656,66 657,23 658,13 658,6 658,94 659,69 660,17 660,37 661 661,58 662,11 662,61 663,07 663,66 663,91 664,52 664,64 665,29 665,85 666,35 668,1 668,54 668,71 668,86 668,99 669,63 669,31 669,23 668,85 668,74 Spezifische Wärme (Dampf) Dynamische Viscosität (Dampf) (kj/kg) 1,8644 2,0267 2,0373 2,0476 2,0576 2,0673 2,0768 2,086 2,095 2,1037 2,1124 2,1208 2,1372 2,1531 2,1685 2,1835 2,1981 2,2331 2,2664 2,2983 2,3289 (kg/m.s) 0,00001 0,000012 0,000012 0,000012 0,000013 0,000013 0,000013 0,000013 0,000013 0,000013 0,000013 0,000013 0,000013 0,000013 0,000013 0,000013 0,000013 0,000014 0,000014 0,000014 0,000014 2,3585 2,3873 2,4152 2,4424 2,469 2,4951 2,5206 2,5456 2,5702 2,5944 2,6418 2,6878 2,7327 2,7767 2,8197 3,0248 3,1034 3,1421 3,1805 3,2187 3,4069 3,5932 3,7806 3,8185 0,000014 0,000014 0,000014 0,000015 0,000015 0,000015 0,000015 0,000015 0,000015 0,000015 0,000015 0,000015 0,000015 0,000016 0,000016 0,000016 0,000016 0,000016 0,000017 0,000017 0,000017 0,000017 0,000018 0,000018 Spezifische Enthalpie von Dampf: In einem Kilogramm Dampf enthaltene Geamtwärme. Summe der Enthalpie der verschiedenen Aggregatzustände, flüssig (Wasser) und gasförmig (Dampf). Spezifische Verdampfungswärme (oder latente Wärme): Die Menge an Wärme, die zugeführt werden muss, um 1 kg kochendes Wasser in 1 kg Dampf bei konstanter Temperatur umzuwandeln (zugeführte thermische Energie um Wasser vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand zu überführen). Spezifische Dampfwärme: Erforderliche Menge von Wärmeenergie, um die Temperatur von 1 kg Dampf um 1°C zu erhöhen. Dynamische Viskosität: Widerstand, welcher sich einer bewegten Flüssigkeit entgegenstellt. 00099DE-2005/R01 ASCO reserves the right to alter the availability, design and specifications without notice. DAMPFTABELLE
