technische informationen

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.
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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)
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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
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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
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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
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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
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DAMPFTABELLE