spiraxsarco.de Grundlagen Dampfkühlung Spirax Sarco GmbH Reichenaustraße 210 D 78467 Konstanz Spirax Sarco GmbH, Nl. Österreich Dückegasse 7/2/8 A 1220 Wien T +49 (0)7531 5806-0 F +49 (0)7531 5806-22 E Vertrieb@de.spiraxsarco.com T +43 (0)1 69964-11 F +43 (0)1 69964-14 E Vertrieb@at.spiraxsarco.com Die bessere Anlage. Copyright 2012 Spirax Sarco ist eine eingetragene Marke der Spirax-Sarco Limited D A M P F T E C H N O L O G I E M I T Z U K U N F T
Grundlagen Dampfkühlung
Vorwort In vielen Kraftwerken und Industrien wird überhitzter Dampf erzeugt und für den Betrieb ausgekoppelt. Dieser überhitzte Dampf ist für die Verrichtung von mechanischer Arbeit, wie z. B. bei einer Turbine ideal, ist aber für sonstige wärmetechnische Prozesse eher ungeeignet. Ein zusätzliches Problem ist, dass der ausgekoppelte, überhitzte Dampf lastabhängig stark in der Temperatur schwanken kann, was für viele Prozesse in den Industrien nicht akzep tabel ist. Der Dampf ist nur brauchbar, wenn seine Parameter auf den benötigten Druck und die erforderliche Temperatur reduziert werden. In sehr vielen Industrien, wie z. B. der Nahrungsmittel-, Getränke-, Textil-, Gummi- und Papierindustrie, wird für viele unterschiedliche Prozesse Sattdampf benötigt. In wärmetechnischen Anlagen wird ebenfalls oft Sattdampf gebraucht. Bei diesen Prozessen, bei denen Sattdampf benötigt wird, besteht oft die Forderung, dass Dampftemperaturen und Dampfdrücke exakt eingehalten werden. Dies kann mit einer geeigneten Dampfkühlung gewährleistet werden. Mit diesem Buch möchten wir Ihnen die Theorie des überhitzen Dampfes und der Dampfkühlung mit einigen einfachen, praxisnahen Beispielen vermitteln. Weiterhin erklären wir wichtige Begriffe und Zusammenhänge und stellen Ihnen die gängigen Verfahren der Dampfkühlung mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen vor. Wir hoffen, dass Sie von unseren Erfahrungen profitieren und diesem Buch Interessantes entnehmen können. Rainer Fiebelmann, Diplom-Physiker Frühjahr 2012 Weitere Dokumentationen von Spirax Sarco: Leitfaden für die Praxis von Dampf- und Kondensatanlagen Arbeitsblätter (Auslegungsdiagramme) für die Dampf- und Kondensattechnologie Grundlagen der Dampf- und Kondensattechnologie Grundlagen des Einsatzes von Wärmetauschern in Dampfanlagen Lebensmittel und Getränke Best-Practice-Leitfaden für das Dampfqualitätsmanagement Grundlagen Dampfkühlung der SPIRAX SARCO GmbH Konstanz. Nachdruck, auch auszugsweise, Kopie, Vervielfältigung und Verbreitung gleich welcher Art nur nach ausdrücklicher Genehmigung von SPIRAX SARCO. 2 Spirax Sarco
Inhaltsverzeichnis 1. Überhitzter Dampf...................... 4 Dampftabelle für überhitzten Dampf........ 6 Das Mollier-Diagramm................... 13 Fragebogen zu Kapitel 1................. 16 2. Dampfkühlung........................ 17 2.1 Grundlagen der Dampfkühlung............ 17 Dampfkühlung......................... 18 Fragebogen zu Kapitel 2.1............... 22 2.2 Verfahren der Dampfkühlung.............. 23 Dampfkühlungen....................... 23 Indirekte Dampfkühler................... 25 Direkte Dampfkühler.................... 26 Dampfkühlung mittels Einspritzung......... 27 Einspritz-Dampfkühler................... 29 Fragebogen zu Kapitel 2.2............... 34 2.3 Weitere Verfahren der Dampfkühlung....... 35 Venturi-Dampfkühler.................... 35 Treibdampfkühler....................... 36 Einspritzkühler mit variabler Düse.......... 38 Dampfkühlung mit einem Dampfumformventil................................ 40 Übersicht und Vergleich der Eigenschaften von Dampfkühlern...................... 41 Fragebogen zu Kapitel 2.3............... 42 2.4 Typische Installationen der Dampfkühlung... 43 Aufbau einer Dampfkühlanlage........... 43 Auswahl Dampfkühler................... 47 Typische Anwendungen.................. 49 Fragebogen zu Kapitel 2.4............... 50 Spirax Sarco 3
1 Überhitzter Dampf Kapitel 1: Überhitzter Dampf Wenn in einem Kessel erzeugter Sattdampf über Flächen geleitet wird, die heißer sind als der vorliegende Dampf, so wird die Temperatur des Dampfes über die zum Dampfdruck gehörende Sattdampftemperatur erhitzt. Bei diesem Dampf spricht man nun von überhitztem Dampf. Der Grad der Überhitzung ist mit einem Temperaturfühler messbar. Meist spricht man von einem zum Beispiel um 50 C überhitzten Dampf. Man kann überhitzten Dampf nicht erzeugen solange noch Wasser vorhanden ist, weil eine zusätzliche Energiezufuhr lediglich zu einer weiteren Verdampfung von Wasser führen würde, jedoch nicht zu einer Steigerung der Temperatur. Um Sattdampf zu überhitzen, ist es also erforderlich, dass der Dampf über einen zusätzlichen Wärmetauscher geführt wird. Dies kann ein zweiter Wärmetauscher am Dampfkessel sein oder aber ein separater Wärmetauscher. Das primäre Heizmedium dieses separaten Wärmetauschers können heiße Abgase oder sonstige Abhitze sein. Dieser Wärmetauscher kann aber auch direkt feuerbeheizt werden. Überhitzter Dampf wird gerne zur Verrichtung von mechanischer Arbeit eingesetzt, zum Beispiel in einer Turbinenanlage, bei welcher der Dampf durch Düsen geleitet wird, die ihrerseits auf die Rotorblätter der Turbine gerichtet sind. Dies veranlasst die Rotoren dazu, sich zu drehen. Ein Teil der im Dampf enthaltenen Energie wird in Bewegungsenergie umgewandelt. Turbinen haben üblicherweise mehrere Stufen. In jeder Stufe wird ein Teil der Energie abgegeben. Würde man Sattdampf in die Turbine leiten, so könnte sie nur Energie abgeben, indem ein Teil des Dampfes kondensiert. Bei Turbinen mit mehreren Stufen würde dies bedeuten, dass der Dampf mehr und mehr Kondensat enthalten würde. Dies würde einerseits die Gefahr von Wasserschlag begünstigen und zum anderen würden die Wassertröpfchen Erosionsschäden an den Rotoren der Turbine hervorrufen. Um diese Probleme zu vermeiden, beaufschlagt man die Turbine mit überhitztem Dampf und zieht in jeder Stufe so viel Energie aus dem Dampf bis er fast Sattdampfbedingungen erreicht hat. Danach wird er ausgeschleust. Dampf Turbinenschaufel Bild 2.3.1: Turbinenschaufel Kraft Ein weiterer Grund, überhitzten Dampf in einer Turbine zu verwenden, ist die Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades. Der thermodynanische Wirkungsgrad einer Wärmemaschine, wie z. B. einer Turbine, kann mit Hilfe zweier Theorien festgestellt werden: Der Carnot sche Zyklus, bei dem die Differenz der Ein- und Austrittstemperatur der Turbine ins Verhältnis zur Eintrittstemperatur gesetzt wird. Der Rankine Zyklus, bei dem die Differenz der Ein- und Austrittsdampfenthalpie der Turbine ins Verhältnis zur entnommenen Gesamtenthalpie gesetzt wird. Beispiel 1.1 Eine Turbine wird mit überhitztem Dampf mit 90 bar abs und 450 C versorgt. Der Restdruck nach der Turbine beträgt 0,06 bar abs (Vakuum) und enthält 10 % Feuchtigkeit. Die Sattdampftemperatur beträgt 36,2 C. Hinweis: Die Zahlenwerte für Energie und Temperatur wurden Dampftafeln entnommen. 4 Spirax Sarco
1 Überhitzter Dampf 1.1.1 Den Carnot schen Wirkungsgrad errechnen: Carnot scher Wirkungsgrad η C = T i - T e T i Formel 1.1 Carnotscher Wirkungsgrad T i = Temperatur am Eingang der Turbine (450 C) = 723,0 K T e = Temperatur am Ausgang der Turbine (36,2 C) = 309,2 K 723,0-309,2 η C = 723,0 Canot scher Wirkungsgrad η C = 0,572 (57,2 %) 1.1.2 Den Rankine Wirkungsgrad errechnen: Rankiner Wirkungsgrad η R = H i - H e H i - h e Formel 1.2 Rankine Wirkungsgrad H i = Enthalpie am Eingang der Turbine (450 C) = 3256 kj/kg H e = Enthalpie am Ausgang der Turbine (36,2 C) = 2188,7 kj/kg = Enthalpie Dampf + Enthalpie des enthaltenen Wassers Enthalpie bei 0,06 bar abs = 2415 kj/kg Enthalpie Wasser bei 0,06 bar abs = 152 kj/hg Dampf 90% = 0,9 2415 kj/kg Enthaltenes Wasser 10% = 0,1 152 kj/kg H e = (0,9 2415 kj/kg) + (0,1 152 kj/kg) H e = 2188,7 kj/kg h e = Enthalpie im Kondensat = 152 kj/kg η R = 3256-2188,7 3256-152 Rankine Wirkungsgrad η R = 0,344 (34,4 %) Ein hoher Wirkungsgrad kann durch die Analyse der Daten und Formeln durch folgende Maßnahmen erreicht oder verbessert werden: Die Temperatur am Eingang der Turbine soll so hoch wie möglich sein. Mit überhitztem Dampf kann diese Forderung am leichtesten erfüllt werden. Die Turbinenaustrittstemperatur sollte so gering wie möglich sein. Dies wird in der Regel durch eine Kondensationsanlage erreicht. Hinweise: Die Berechungen in den Beispielen 1.1 und 1.2 sind für den thermodynamischen Wirkungsgrad und enthalten keine Berechnungen für den mechanischen Wirkungsgrad. Auch wenn der Wirkungsgrad gering erscheint, muss er im Vergleich mit anderen Verfahren, wie Gas-Turbinen, Dampfmaschinen/-motoren und Dieselaggregaten gesehen werden. Spirax Sarco 5
1 Überhitzter Dampf Dampftabelle für überhitzten Dampf In Dampftabellen für überhitzten Dampf sind die Eigenschaften von Dampf in Abhängigkeit von Druck und diversen Temperaturen aufgeführt, ähnlich wie in den Tabellen für Sattdampf. Es sind jedoch mehr Spalten für Temperatur angegeben, weil die Überhitzung verschieden hoch über der Sattdampftemperatur liegen kann. Zwischenwerte kann man durch Interpolation ermitteln. In Tabelle 1.1 finden Sie ein Beispiel für Eigenschaften von Dampf bei Umgebungsdruck. Tabelle 1.1 Auszug einer Tabelle für überhitzten Dampf Druck Temperatur ( C) Einheiten bar abs 150 200 250 300 400 500 V g (m³/kg) 1,912 2,145 2,375 2,604 3,062 3,519 u 1,013 g (kj/kg) 2583 2659 2734 2811 2968 3131 h g (kj/kg) 2777 2876 2975 3075 3278 3488 s g (kj/kg) 7,608 7,828 8,027 8,209 8,537 8,828 Beispiel 1.2 Wieviel mehr Energie enthält Dampf bei 1,013 bar abs und einer Temperatur von 400 C als Sattdampf mit demselben Druck? h g für Sattdampf bei 1,013 bar abs = 2676 kj/kg (aus einer Sattdampftabelle) h g für Dampf mit 1,013 bar abs und 400 C = 3278 kj/kg (aus Tabelle 1.1.1) Nur die Überhitzungsenthalpie = 3278 kj/kg - 2376 kj/kg Nur die Überhitzungsenthalpie = 602 kj/kg Dies hört sich im ersten Moment so an, wie eine sinnvolle Erhöhung der Energie. In der Praxis erschwert es aber den Einsatz in Anwendungen mit Wärmeübertragung. Aus dem aufgeführten Beispiel kann die spezifische Wärmekapazität recht einfach ermittelt werden, indem man den ermittelten Wert durch die Temperaturdifferenz teilt. spezifische Wärmekapazität = 602 kj/kg / (400 C -100 C) spezifische Wärmekapazität = 2,0 kj/kg C Im Gegensatz zur spezifischen Wärmekapazität für Wasser ist die spezifische Wärmekapazität für überhitzten Dampf nicht konstant. Sie schwankt sogar recht stark. Tendenziell wird sie bei zunehmenden Druck und kleiner werdender Überhitzung höher, aber dies ist nicht immer der Fall. Typische Werte: 2,0 kj/kg C bei 125 C und 1,013 bar abs 3,5 kj/kg C bei 400 C und 120 bar abs Kann man überhitzten Dampf in wärmetechnischen Prozessen einsetzen? Obgleich überhitzter Dampf nicht das ideale Medium für einen Wärmeübergang ist, wird er doch sehr häufig in verschiedenen Industrien angetroffen, insbesondere in der HPI Industrie (Hydrocarbon Processing Industry), die Öl und Erdöl verarbeitet und herstellt. Der überhitzte Dampf liegt oft in erster Linie deshalb vor, weil er für die Turbinen benötigt wird. Für Anwendungen mit Wärmeübergang ist Sattdampf besser geeignet. Aus diesem Grund werden häufig Dampfkühlungen unterschiedlichen Typs eingesetzt. Häufig ist eine Kühlung des Dampfes auf eine Temperatur, die bis ca. 10 K über der erwünschten Sattdampftemperatur T s für Anwendungen mit Wärmeübergang mehr als zulässig. Die geringe Überhitzung baut sich dann bei Eintritt in einen Wärmeübertrager recht schnell ab. Eine Überhitzung, die höher als 10 K über der erwünschten Sattdampftemperatur T s liegt, sollte für Anwendungen mit Wärmeübergang vermieden werden. Es gibt einige Gründe, warum überhitzter Dampf für eine Reihe von Prozessen ungeeignet ist: Überhitzter Dampf muss erst auf Sattdampftemperatur abkühlen, bevor er kondensieren kann. Der in der Überhitzung enthaltene Energieanteil ist vergleichsweise gering zu dem bei der Kondensation freiwerdenden Energieanteil. 6 Spirax Sarco
1 Überhitzter Dampf Wenn Dampf nur wenige Grad Überhitzung mit sich führt, wird er diese Überhitzungsenergie recht schnell abgeben können. Ist Dampf aber stark überhitzt, kann es relativ lange dauern, bis die Überhitzungsenergie vollständig abgebaut wird. Während dieser Zeit gibt der Dampf relativ wenig Energie ab. Anders als bei Sattdampf kann die Temperatur der Überhitzung an verschiedenen Stellen recht unterschiedlich sein. Überhitzter Dampf kann nur Energie durch Abkühlen abgeben. Das bedeutet, dass sich ein Temperaturgradient über die Wärmetauscherfläche einstellen wird. Bei Sattdampf ist diese Temperatur sehr konstant, weil die Energieabgabe an eine Zustandsänderung gekoppelt ist. In einem Wärmetauscher kann der überhitzte Dampf bestimmte Bereiche stärker erwärmen, an denen sich dann bevorzugt Ablagerungen (Fouling) bilden, was wiederum zu einer stärkeren Belastung und gegebenfalls Beschädigung der entsprechenden Bereiche führt. Bei Anwendungen mit Wärmeübertragung ist überhitzter Dampf nicht die erste Wahl, weil: er wenig Wärme abgibt bis er kondensieren kann. es entstehen Temperaturgradienten auf der Wärmetauscherfläche, während der überhitzte Dampf abkühlt. d er Wärmeübergang ist schlecht, solange der Dampf überhitzt ist. die erforderliche Wärmetauschfläche größer ist als dies bei Sattdampf der Fall wäre! Überhitzter Dampf ist bei Anwendungen mit Wärmeübergang nicht so effektiv wie Sattdampf. Dies mag seltsam erscheinen, denn meist ist der Wärmeübergang proportional zur Temperaturdifferenz. Die Ursache hierfür schauen wir nun hier an. In der Formel 1.3 sehen wir, dass die Temperaturdifferenz proportional zum Wärmeübergang ist. Q = U A T Formel 1.3 Q = Leistung (W) U = Wärmeübergangskoeffizient (W/m² C) A = Wärmetauschfläche (m²) T = Temperaturdifferenz zwischen Primär- und Selkundärfluid ( C) Die Formel 1.3 zeigt auch, dass die Leistung direkt proportional zum Wärmeübergangskoeffizient U und der Wärmetauschfläche A ist. Für einen dampfseitig beheizten Wärmetauscher ist die Wärmetauschfläche A normalerweise konstant. Dies kann aber nicht vom Wärmeübergangskoeffizient U gesagt werden. Dies ist der Hauptunterschied zwischen Sattdampf und überhitztem Dampf. Der Wert U ändert sich bei Verwendung von überhitztem Dampf während des Prozesses und ist stets tiefer als der Wert U bei Sattdampf. Der Wert U kann bei Verwendung von überhitztem Dampf nur schwer vorausgesagt werden, weil dieser von vielen Faktoren abhängt, aber generell gilt, je höher die Überhitzung desto geringer der U-Wert. Typisch für ein mit überhitztem Dampf beheiztes, im Wasser liegendes Rohrbündel sind U-Werte im Bereich von 50 bis 100 W/m² C. Bei Sattdampf liegen die U-Werte typischerweise bei ca. 1200 W/m² C. Siehe hierzu Bild 1.2. Bei einem dampfbeheizten Wärmetauscher zur Erwärmung von Öl liegen die U-Werte um 20 W/m² C für überhitzten Dampf. Bei Sattdampf liegen die U-Werte typischerweise bei ca. 150 W/m² C. Typisch für einen dampfbeheizten Rohrbündel-Wärmetauscher sind U-Werte im Bereich um 100 W/m² C für überhitzten Dampf. Bei Sattdampf kann man U-Werte um ca. 500 W/m² C erwarten. Dies sind typische Erfahrungswerte. Sie können je nach Konstruktion und Betriebsweise unterschiedlich sein. Spirax Sarco 7
1 Überhitzter Dampf Sattdampf; Eintritt Kondensatableiter überhitzter Dampf; Eintritt 1200 W/m² C dampfbeheiztes, im Wasser liegendes Rohrbündel überhitzter Dampf; Austritt 50 W/m² C Kondensat; Austritt Bild 1.2. Typische Wärmeübergangskoeffizienten U bei Sattdampf bzw. bei überhitztem Dampf Obwohl die Temperatur von überhitztem Dampf stets höher ist als die zum Druck zugehörige Sattdampftemperatur T s, kann überhitzter Dampf Wärme schlechter abgeben. Das Resultat ist, dass überhitzter Dampf für den Wärmeübergang weniger geeignet ist als Sattdampf mit gleichem Druck. Zum anderen haben wir gesehen, dass es schwierig ist, die Formel 1.3 Q = U A T korrekt zu berechnen, weil der Wärmeübergangskoeffizient U und die Temperatur sich während des Prozesses ändern. Dies bedeutet, dass es schwierig ist, die erforderliche Wärmetauscherfläche exakt zu berechnen. In der Praxis werden hierfür benötigte Erfahrungswerte oft empirisch ermittelt. Da überhitzter Dampf also stets einen schlechteren Wärmeübergang als Sattdampf hat, kann man sagen, dass eine mit überhitztem Dampf beheizte Wärmetauscherfläche auf jeden Fall größer sein muss. Steht nur überhitzter Dampf zur Verfügung, so wird er zunächst an den Flächen abkühlen, bis er kondensieren kann. Erst bei der Kondensation gibt er schlagartig seine Kondensationsenergie ab. Es ist von Vorteil, wenn der überhitzte Dampf seine Überhitzungsenergie möglichst bald nach Eintritt in den Wärmetauscher abgibt, damit er sobald wie möglich seine Kondensationsenergie abgeben kann. Siehe hierzu auch Bild 1.3. Um eine schnelle Kondensation zu begünstigen empfehlen wir, überhitzten Dampf mit maximal 10 K oberhalb der Sattdampftemperatur T s, für Anwendungen mit Wärmeübergang zu verwenden. überhitzter Dampf im Eintritt 50 W/m² C Sattdampfzustand erreicht Sattdampf überhitzter Dampf; Eintritt dampfbeheiztes, im Wasser liegendes Rohrbündel 1200 W/m² C Kondensatableiter Durchschnittlicher U-Wert entspricht in etwa dem 90 %-Wert bei Sattdampf Kondensat; Austritt Bild 1.3 Wärmetausch mit wenig überhitztem Dampf Wenn man überhitzten Dampf mit geringer Überhitzung (maximal 10 K oberhalb der Sattdampftemperatur T s ) verwendet, ist die Auslegung der Fläche eines Wärmetauschers relativ einfach. Die Fläche wird wie für den zugehörigen Sattdampfdruck ausgelegt, zusätzlich sieht man eine gewisse Fläche für die Abgabe der Überhitzung vor. Im Bild 1.3. ist dies dargestellt. Im Eintrittsbereich des Wärmetauschers (rot gekennzeichnet) wird die Überhitzung abgebaut und 8 Spirax Sarco
1 Überhitzter Dampf dabei ein wenig Wärme abgegeben. Danach werden Sattdampfbedingungen erreicht (orange gekennzeichnet) und der Dampf kann kondensieren und dadurch den größten Teil der Wärme abgeben. Für die zusätzliche Fläche bei Beheizung mit überhitztem Dampf gibt es eine Faustformel: Pro 2 C Überhitzung wird ca. 1 % mehr Fläche benötigt. Diese Regel gilt bis zu einer Überhitzung von maximal 10 C und bei Rohrbündeln, die von Wasser umgeben sind. Wie schon zuvor erwähnt, raten wir davon ab, überhitzten Dampf mit einer Überhitzung von mehr als 10 C auf einen Wärmetauscher zu leiten, weil einerseits die notwendige Fläche zum Abbau der Überhitzung zu groß werden würde, was den Wärmetauscher größer und teurer machen würde. Zum anderen neigen die der Überhitzung ausgesetzten Flächen zum Fouling und die thermischen Belastungen werden durch die ungleiche Temperaturverteilung höher. Fouling oder Belagbildung an wärmeübertragenden Flächen Als Fouling (Belagbildung) wird jeder Prozess bezeichnet, bei dem Wärmetauscherflächen durch Ablagerungen in ihrer Effizienz beeinträchtigt werden. Fouling entsteht, indem sich Inhaltsstoffe des aufzuwärmenden Mediums an den wärmeübertragenden Flächen absetzen. Fouling verursacht in der Industrie erhebliche Kosten. Die Kosten enstehen durch größere erforderliche Wärmetauscherflächen, durch eine schlechte Ausnutzung der Energie, Reinigung, Wartung, den Einsatz von Antifoulants, durch Produktionsausfälle, durch die Auswahl teurerer Werkstoffe, um Korrosionsfouling zu verringern, und durch höhere erforderliche Pumpenleistung. Man unterscheidet unterschiedliche Arten von Fouling: Sedimentations- und Partikelfouling, chemisches Korrosionsfouling, Kristallisationsfouling, gemischtes Fouling und Biofouling. Bei Einsatz von überhitztem Dampf kommt es meist zu Sedimentations- und Partikelfouling. Durch die Erwärmung der wärmeübertragenden Flächen bilden sich Ablagerungen. Diese bilden sich umso schneller, je wärmer die Flächen sind und behindern den Wärmeübergang. Das heißt, die vom überhitzten Dampf erwärmten Flächen neigen eher zum Fouling als die vom kühleren Sattdampf erwärmten Flächen. Zusätzlich verhält sich der überhitzte Dampf beim Wärmeübergang wie ein trockenes Gas. Er muss, um die Energie abgeben zu können, eventuell vorhandene statische Filme an der Rohrwandung überwinden. Im Gegensatz hierzu kondensiert der Sattdampf direkt an der Wärmetauscherfläche. Die Wärmeabgabe ist einfacher, direkter und effektiver. Das heißt, obwohl bei überhitztem Dampf T größer ist als bei Sattdampf, ist der Wärmeübergang wegen den zuvor beschriebenen Punkten meist erheblich schlechter. Beispiel 1.3. Auslegung eines Rohrbündels für Einsatz mit überhitztem Dampf Überhitzter Dampf mit einem Druck von 3 bar ü und 10 K Überhitzung (154 C) soll als primäre Wärmequelle für einen Rohrbündelwärmetauscher mit einer Leistung von 250 kw genutzt werden, um ein Fluid (Öl) von 80 C auf 120 C zu erwärmen (man verwende die gemittelte Temperatur von T m = 100 C). Die Fläche des Rohrbündels soll abgeschätzt werden. Hinweis: Die arithmetisch gemittelte Temperatur kann verwendet werden, um die Berechnung einfach zu halten; in der Praxis würde man, um eine höhere Genauigkeit zu erhalten, bevorzugt die logarithmisch gemittelte Temperatur verwenden. Zunächst betrachten wir das mit Sattdampf (3 bar ü) beheizte Rohrbündel. T s = 144 C Der Wärmeübergangskoeffizient U für die Beheizung von Öl durch Sattdampf kann mit 500 W/m² C angesetzt werden. T am = T s - T m = 144 C - 100 C = 44 C Mit Hilfe von Formel 1.3 Q = U A T 250 000 = 500 W/m² C A 44 C = 250 kw A = 250 000/(500 44) A = 11,4 m² Bei Einsatz von Sattdampf würden wir eine Fläche von 11,4 m² benötigen. Spirax Sarco 9
1 Überhitzter Dampf Nun betrachten wir die Beheizung mit überhitztem Dampf (3 bar ü; Überhitzung 10 K, T ü = 154 C). Mit Hilfe der Faustregel pro 2 C Überhitzung wird ca. 1 % mehr Fläche benötigt können wir die notwendige Fläche berechnen. Die Überhitzung beträgt 10 K. Das bedeutet, dass wir 5 % mehr Fläche benötigen. Benötigte Fläche = 11,4 m² + 5 % = 11,4 m² + 0,6 m² = 12 m² diese Fläche würde man bei Beheizung mit überhitztem Dampf benötigen. Fouling oder Belagbildung: Wenn wir nun noch eine Toleranz von 5 % zusätzlicher Fläche für Belagbildung berücksichtigen ergibt sich: = 12 m² + 5 % = 12 m² + 0,6 m² = 12,6 m² diese Fläche würde man bei Beheizung mit überhitztem Dampf und unter Berücksichtigung von 5 % Fläche für eventuelles Fouling benötigen. Weitere Anwendungen, bei denen überhitzter Dampf eingesetzt wird Das zuvor Gesagte trifft zu, wenn überhitzter Dampf durch relativ schmale Durchgänge strömt, wie zum Beispiel durch Rohre in Rohrbündelwärmetauschern. In einigen Anwendungen, zum Beispiel an Zylindern in der Papierindustrie, ist überhitzter Dampf im höheren Maße zulässig, sofern sich seine Strömungsgeschwindigkeit an den betreffenden Prozesstellen stark verringert. In der Nähe der Zylinderwandung fällt die Temperatur des Dampfes sehr schnell auf Sattdampftemperatur und die Kondensation kann einsetzen. Der Wärmefluss durch den Zylinder ist folglich gleich gut, als wäre er mit Sattdampf versorgt worden. Der überhitzte Dampf gelangt also in das Innere des Zylinders und kühlt dann auf die erforderlichen Werte ab. Es versteht sich, dass der Grad der Überhitzung an den Prozess angepasst sein muss. Es gibt auch Prozesse, bei denen der überhitzte Dampf den Prozess negativ beeinflusst. Dies ist stets dann der Fall, wenn die Feuchtigkeit im Dampf Teil des Prozesses ist. Als Beispiel führen wird die Herstellung von Trockenfutter für Tiere an. Der Feuchtigkeitsgehalt des Futters muss geregelt werden, damit die Pellets hergestellt werden können. Der Einsatz von überhitztem Dampf wäre hierfür ungeeignet, da er das Futter austrocknen würde; die Pelletierung wäre erschwert oder unmöglich. Überhitzung durch Druckminderung Überhitzter Dampf kann nicht nur durch Leiten des Dampfes über einen Wärmetauscher wie Economizer oder sonstige Abhitzekessel erfolgen. Überhitzter Dampf kann auch durch Druckminderung entstehen, also wenn sich Dampf von einem höheren Druck (p 1 ; T 1 ) zu einem niedrigen Druck (p 2 ; T 2 ) durch eine Düse (zum Beispiel ein Stellventil oder Druckminderventil) entspannt. Die Ursache für die Überhitzung ist der Energieerhaltungssatz (E 1 = E 2 ). Die Gesamtenthalpie des Dampfes bei einem höheren Druck p 1 muss gleich der Gesamtenthalpie des Dampfes bei einem niedrigeren Druck p 2 sein. Nach der Druckminderung sollte der Dampf die zum Minderdruck p 2 zugehörige Sattdampftemperatur T S einnehmen. Dadurch, dass zu einem tieferen Druck eine tiefere Temperatur T 2 gehört, aber der Energieinhalt dem von vor der Druckminderung (E 1 bei p 1 ) entsprechen muss (E 1 = E 2 : Energieerhaltungssatz), ergibt sich ein gewisser Überhitzungsgrad für T 2 gegenüber der zugehörigen Sattdampftemperatur T S. Der Grad der Überhitzung hängt von verschiedenen Faktoren ab: Vom Druck p 1 Vom Dampfgehalt des Dampfes mit Druck p 1 Vom Druckabfall p 1 - p 2 an einer Düse, z. B. am Stellventil oder Druckreduzierventil 10 Spirax Sarco
1 Überhitzter Dampf Für trockenen Sattdampf unterhalb 30 bar ü wird jeder Druckabfall an einer Düse zu einer Überhitzung führen. Der Überhitzungsgrad hängt vom Druckanfall ab. Für trockenen Sattdampf p1 oberhalb 30 bar ü wird der reduzierte Dampf trocken, feucht oder überhitzt sein. Dies hängt vom Druckabfall ab. Wenn zum Beispiel trockener Sattdampf mit 60 bar ü auf 10,5 bar ü reduziert wird, entsteht trockener Sattdampf. Wird der Dampf auf Drücke reduziert, die höher als 10,5 bar ü liegen, so wird der Dampf eine Restfeuchte haben. Wenn der Dampf auf Drücke, die kleiner als 10,5 bar ü sind reduziert, so entsteht überhitzter Dampf. Der Dampfgehalt des zu mindernden Dampfes p1 hat eine Auswirkung auf den druckreduzierten Dampf. Zum Beispiel müßte man Sattdampf mit 10 bar ü und einem Dampfgehalt von 0,95 (95 %) auf einen Druck p2 = 0,135 bar ü mindern, damit trockener Sattdampf entsteht. Bei einem geringeren Druckabfall würde der Dampf eine Restfeuchte haben. Bei einem größeren Druckabfall würde überhitzter Dampf entstehen. Beispiel 1.4 Dampfgehalt durch Druckminderung erhöhen Sattdampf mit 6 bar ü und einem Dampfgehalt von 0,95 soll auf einen Druck p 2 = 1,0 bar ü gemindert werden. Die Dampfbedingungen nach der Minderung sollen bestimmt werden: Aus den Dampftafeln: bei 6 bar ü h f = 697,5 kj/kg h fg = 2066,0 kj/kg bei 1 bar ü h f = 505,6 kj/kg h fg = 2201,1 kj/kg Die Gesamtenthalpie vor der Druckminderung beträgt: = h f + (h fg χ ) bei 6 bar ü = 697,5 kj/kg + (2066,0 kj/kg 0,95) Gesamtenthalpie bei 6 bar ü = 2660,2 kj/kg Diese Energie ist also im Dampf enthalten, bevor er auf einen Druck von 1 bar ü reduziert wird. Gesamtenthalpie bei 1 bar ü = 505,6 kj/kg + 2201,1 kj/kg Gesamtenthalpie bei 1 bar ü = 2706,7 kj/kg Wir sehen nun, dass die Gesamtenthalpie bei 6 bar ü geringer als die Gesamtenthalpie bei 1 bar ü ist. Das bedeutet, dass die Restfeuchte nicht vollständig verdampft werden kann und im 1 bar Dampf ein gewisses Mass an Restfeuchte bleiben wird. Diese kann mit oben aufgeführter Formel wie folgt berechnet werden: Gesamtenthalpie bei 6 bar ü = 2660,2 kj/kg = h f + (h fg χ ) = 505,6 kj/kg + (2201,1 kj/kg χ ) Die Gleichung muss nun nach χ umgestellt werden: χ = 2 660, 2 kj kg - 505, 6 kj kg 2 201, 1 kj kg χ = 0,979 oder 97,9 % Dampfgehalt Beispiel 1.5 Überhitzung durch ein Regelventil Sattdampf mit 10 bar ü und einem Dampfgehalt von χ = 0,98 soll auf einen Druck p 2 = 1,0 bar ü gemindert werden. Die Dampfbedingungen nach der Minderung sollen bestimmt werden: Aus den Dampftafeln: bei 10 bar ü h f = 781,6 kj/kg h fg = 2000,1 kj/kg bei 1 bar ü h f = 505,6 kj/kg h fg = 2201,1 kj/kg Spirax Sarco 11
1 Überhitzter Dampf Die Gesamtenthalpie vor der Druckminderung beträgt: = hf + (h fg χ ) bei 10 bar ü = 781,6 kj/kg + (2000,1 kj/kg 0,98) Gesamtenthalpie bei 10 bar ü = 2741,7 kj/kg Diese Energie ist also im Dampf enthalten, bevor er auf einen Druck von 1 bar ü reduziert wird. Die Aufgabe ist nun, den Grad der Überhitzung nach der Druckminderung zu bestimmen. Wie wir schon in Beispiel 1.4 ermittelt haben, beträgt die: Gesamtenthalpie bei 1 bar ü = 505,6 kj/kg + 2201.1 kj/kg Gesamtenthalpie bei 1 bar ü = 2706,7 kj/kg Wir sehen nun, dass die Gesamtenthalpie bei 10 bar ü um 35 kj/kg größer ist als die Gesamtenthalpie bei 1 bar ü (Differenz = 2741,7 kj/kg - 2706,7 kj/kg = 35 kj/kg). Wir bekommen also diesmal 100 % trockenen Dampf mit etwas Überhitzung. Die Energiedifferenz bewirkt die Überhitzung. Es stellt sich eine geringfügige Überhitzung von 136 C gegenüber der Sattdampftemperatur von 120 C ein. 10 bar 180 C 1 bar Druckreduzierventil 136 C 2741,7 kj/kg Bild 1.4 Entstehung von Überhitzung bei einer Druckminderung Den Grad der Überhitzung können wir mit dem Mollier-Diagramm ermitteln. 12 Spirax Sarco
1 Überhitzter Dampf Das Mollier-Diagramm Beim Mollier-Diagramm ist die Enthalpie in Anhängigkeit der Entropie aufgezeichnet. Enthalpie h (kj/kg) Sattdampfkurve Entropie s (kj/kg K) Bild 1.5 Mollier (h,s)-diagramm Bild 1.5 zeigt eine vereinfachte Version eines Mollier-Diagramms. Das Diagramm zeigt die Zusammenhänge zwischen Enthalpie, Entropie, Temperatur, Druck und Dampfgehalt für Wasserdampf. Es scheint zunächst wegen der vielen Kurven etwas unübersichtlich. Konstante Enthalpie (waagrechte Linien; Isenthalpe) Konstante Entropie (senkrechte Linien; Isentrope) Die Sattdampfkurve ist die dickere Linie in der Mitte des Diagramms. Sie trennt den Sattdampfbereich vom Bereich des überhitzen Dampfes. Die Sattdampflinie entspricht dem Zustand von trockenem Sattdampf. Der Bereich unterhalb der Sattdampflinie beschreibt Dampf mit Restfeuchte. Der Bereich oberhalb der Sattdampflinie beschreibt überhitzten Dampf. Konstante Drucklinien (Isobaren) Konstante Temperaturen (Isothermen) Konstanter Dampfgehalt (unterhalb der Sattdampfkurve) Bei einer Expansion, wie sie etwa in einer Turbine oder in einem Dampfmotor stattfindet, handelt es sich um einen Prozess mit konstanter Entropie, das heißt, man bewegt sich senkrecht im Diagramm. Man beginnt mit den Ausgangsbedingungen bei einem oberen Punkt und wandert senkrecht nach unten zum Endzustand. Bei einer Drosselung, wie das zum Beispiel bei einer Druckreduzierung der Fall ist, handelt es sich um einen Prozess mit konstanter Enthalpie, das heißt, man bewegt sich waagrecht im Diagramm. Man beginnt mit den Ausgangsbedingungen bei einem Punkt links im Diagramm und wandert waagrecht nach rechts zum Endzustand. Bei beiden Prozessen entsteht eine Druckreduzierung, aber der Weg dahin ist unterschiedlich. Die beiden Beispiele sind in Bild 1.6 auf der nächsten Seite schematisch dargestellt. Man kann den Prozess auch mit Hilfe der Dampftafeln beschreiben. Spirax Sarco 13
1 Überhitzter Dampf Perfekte Expansion (z. B. mit Turbine) Perfekte Drosselung (z. B. Druckreduzierventil) h 1 P 1 Enthalpie Druckabfall Enthalpie Druckabfall P 1 P 2 h 2 P 2 Entropie Entropie s 1 s 2 Bild 1.6 Beispiele für Drosselung und Expansion im Mollier-Diagramm Beispiel 1.6 Isentropische Expansion zur Erzeugung von mechanischer Arbeit Wir betrachten nun die Expansion von Dampf in eine Turbine. Der Dampf liegt mit einem Druck von 50 bar abs und einer Temperatur von 300 C vor. Der Druck am Austritt der Turbine soll p 2 = 0,04 bar abs betragen. Graphische Ermittlung des Ergebnisses Da es sich hier um eine isentropische Expansion handelt, also die Entropie konstant bleibt, können wir den Prozess mit einer senkrechten Linie mit Anfangsbedingungen und Endbedingungen im Diagramm darstellen (siehe Bild 1.7). Bei den Anfangsbedingungen beträgt die Entropie circa 6,25 kj/kg C. Wenn man nun der Linie senkrecht nach unten bis zum Wert 0,04 bar abs folgt, so erhält man die Werte für den Endzustand des Dampfes. Es ergibt sich eine Enthalpie mit einem Wert knapp unter h g = 1900 kj/kg und einem Dampfgehalt von 0,72 (siehe Bild 1.7). Rechnerische Ermittlung des Ergebnisses Man kann den Dampfzustand aber auch mittels der Dampftabellen ermitteln. Aus den Dampftafeln: bei 50 bar abs/300 C: h f = 2927 kj/kg s g = 6,212 kj/kg C Für trockenen Sattdampf: bei 0,04 bar abs: s f = 0,422 kj/kg C s fg = 8,051 kj/kg C und s g = 8,473 kj/kg C 14 Spirax Sarco
1 Überhitzter Dampf Enthalpie h (kj/kg) Sattdampfkurve Entropie s (kj/kg K) Bild 1.7 Mollier (h,s)-diagramm - Beispiel Wir sehen nun, dass die Entropie s g bei 0,04 bar abs (8,473 kj/kg C) größer als bei 50 bar abs/300 C (6,212 kj/kg C) ist. Daraus folgt, dass ein Teil des Dampfes kondensiert sein muss, damit die Energiebilanz stimmt. Um diesen Sachverhalt in Zahlen auszudrücken: s f + (s fg с) = 6,212 kj/kg C 0,422 kj/kg C + (8,051 kj/kg C с) = 6,212 kj/kg C Wir lösen die Gleichung nun nach c auf: с = 6,212 kj kg C - 0,422 kj kg C 8,051 kjkg C Dampfgehalt c = 0,72 (72%) außerdem h g = h f + ( h fg с) bei 0,04 bar abs h f = 121 kj/kg und h fg = 2433 kj/kg folglich h g = h f + ( h fg с) h g = 121 kj/kg + (2433 kj/kg 0,72) Gesamtenthalpie h g = 1873 kj/kg Erwartungsgemäß liegen das graphisch und das rechnerisch ermittelte Ergebnis dicht beieinander. Ungenauigkeiten kommen lediglich durch das ungenaue Ablesen der Werte in dem kleinen Mollier-Diagramm zustande. Spirax Sarco 15
1 Überhitzter Dampf Fragebogen: 1. Verglichen mit Sattdampf, trifft für überhitzten Dampf Folgendes zu: a. Er enthält mehr Wärmeenergie. b. Er hat mehr Verdampfungswärme. c. Er hat ein geringeres spezifisches Volumen. d. Er kondensiert bei höheren Temperaturen. 2. Welches ist KEINE Eigenschaft von überhitztem Dampf? a. Er enthält keine Wassertröpfchen. b. Er verursacht starke Erosion in Rohrleitungen. c. Er heizt Flächen ungleichmäßig auf. d. Er hat eine höhere Temperatur als Sattdampf. 3. Überhitzter Dampf mit einem Druck von 6 bar ü... a. hat eine größere spezifische Wärmekapazität als Wasser. b. hat einen Dampfgehalt von 99%. c. darf nicht zur Wärmeübertragung genutzt werden. d. hat eine Temperatur, die höher als 165 C ist. 4. Sattdampf mit 7 bar ü und einem Dampfgehalt von χ = 0,97 soll auf einen Druck p 2 = 2,0 bar ü gemindert werden. Welchen Zustand hat der Dampf nach der Druckminderung? a. Temperatur 170,5 C und Dampfgehalt 0,97 b. Temperatur 164 C und Dampfgehalt 1 c. Temperatur 133,7 C und Dampfgehalt 0,99 d. Temperatur 149,9 C und Dampfgehalt 0,98 5. Wenn überhitzter Dampf mit einem Druck von 4 bar abs und einer Temperatur 250 C auf einen Druck von 2 bar abs in einer Dampfmaschine verwendet werden soll, was ist dann die Dampfaustrittstemperatur? a. 120 C b. 172 C c. 247 C d. 250 C 6. Dampf mit einem Druck von 7 bar ü und einer Temperatur von 425 C... a. nimmt weniger Volumen ein als Sattdampf beim selbem Druck. b. ist um 254 C überhitzt. c. hat eine Enthalpie von 2941kJ/kg. d. hat eine Entropie von 7,040 kj/kg C. Antworten: 1:a, 2:b, 3:d, 4:c, 5:b, 6:b 16 Spirax Sarco
2.1 Grundlagen der Dampfkühlung Kapitel 2.1: Grundlagen der Dampfkühlung Überhitzter Dampf Überhitzter Dampf hat eine höhere Temperatur als die zum strömenden Dampfdruck zugehörige Sattdampftemperatur. Zum Beispiel hat Sattdampf bei 3 bar ü eine zugehörige Temperatur von 143,6 C. Wird dieser Dampf bei gleichbleibendem Druck weiter erhitzt, so entsteht überhitzter Dampf. Der Grad der Überhitzung hängt von der Menge der zugeführten Energie ab. Überhitzter Dampf ist heißer als Sattdampf. Überhitzter Dampf enthält mehr Energie als Sattdampf. Überhitzter Dampf hat ein größeres spezifisches Volumen als Sattdampf. 300 250 200 überhitzter Dampf Dampfsättigung Temperatur in C 150 100 Wasser 50 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Druck in bar ü Bild 2.1.1 Dampfdiagramm Diese Zusammenhänge und Werte können gängigen Tabellen für überhitzten Dampf entnommen werden. Überhitzter Dampf hat folgende wichtigen Vorteile: Keine Kondensierung und Tröpfchenbildung auf den Turbinenschaufeln. Höhere Strömungsgeschwindigkeiten (bis 100 m/s) sind in Rohrleitungen erzielbar. Das heißt, das Dampfverteilnetz kann mit kleineren Rohrleitungen ausgeführt werden, sofern der Druckabfall im vertretbaren Rahmen bleibt. Keine Kondensatbildung in den Rohrleitungen, außer beim Anfahren und Herunterfahren der Anlage. Überhitzter Dampf hat folgende wichtigen Nachteile: Überhitzter Dampf enthält viel Energie. Diese Energie ist in drei Energieformen enthalten; 1. die Enthalpie des Wassers (h ), 2. die Verdampfungswärme (r) und 3. die Enthalpie des überhitzten Dampfes. Der größte Teil der Energie steckt jedoch in der Verdampfungswärme (r). Der Energieanteil, der in der Enthalpie des überhitzten Dampfes steckt, ist vergleichsweise gering. Zum Beispiel: überhitzter Dampf, 10 bar a, 300 C Enthalpie des Wassers (h ) = 763 kj/kg Verdampfungswärme (r) = 2015 kj/kg Enthalpie des überhitzten Dampfes = 274 kj/kg Spirax Sarco 17
2.1 Grundlagen der Dampfkühlung Verdampfungswärme 66 % Enthalpie des überhitzten Dampfes 9 % Enthalpie des Wassers 25 % Bild 2.1.2. Gesamtenthalpie des überhitzten Dampfes Überhitzter Dampf kann erst kondensieren, wenn er seine Überhitzungswärme abgegeben hat, also wenn er wieder Sattdampf geworden ist. Bei Einsatz von Dampf zur Übergabe von Wärmeenergie kann mit Sattdampf mehr Wärme übergeben werden als mit überhitztem Dampf. Bei Sattdampf wird schlagartig die gesamte Verdampfungswärme in Form von Kondensationswärme abgegeben. Wärmetauscherflächen werden also kompakter und günstiger bei Einsatz von Sattdampf. Viele Prozesse benötigen zum korrekten Betrieb Sattdampf, zum Beispiel die Sterilisation Viele Prozesse arbeiten nicht effektiv, wenn sie mit überhitztem Dampf beheizt werden, wie zum Beispiel Destillationskolonnen. Je nach Grad der Überhitzung kann es sein, dass teurere Armaturen verwendet werden müssen. Zusammenfassend kann man sagen, dass überhitzter Dampf zwar für die Dampfverteilung von Vorteil ist und für Turbinen oft eingesetzt wird, für die meisten thermischen Prozesse aber eher nicht wünschenswert ist. Bei Kraftwerken oder Blockheizkraftwerken wird oft überhitzter Dampf erzeugt. Ebenso gibt es Anlagen, in denen große Mengen Müll oder anderes Material (Papierindustrie, Zuckerindustrie) verbrannt werden, um überhitzten Dampf herzustellen. In Anlagen, in denen überhitzter Dampf bereits vorliegt, ist es sinnvoll, diesen im überhitzten Zustand zu verteilen und dann am Verbrauchsort auf den erwünschten Sattdampf zu kühlen. Dampfkühlung Bei der Dampfkühlung soll die Überhitzung abgebaut werden. Die meisten Verfahren der Dampfkühlung reduzieren die Überhitzung des Dampfes auf eine Temperatur von circa 5 bis 10 K oberhalb der zugehörigen Sattdampftemperatur. Eine erzielte Temperatur von im Mittel circa 3 K oberhalb der Sattdampftemperatur gilt als sehr gutes Ergebnis. Es gibt zunächst zwei grundlegende Unterscheidungen der Dampfkühlverfahren: Indirekte Kühlung Das Medium, mit dem der Dampf gekühlt werden soll, kommt nicht in direkten Kontakt mit dem zu kühlenden Dampf. Eine Kühlflüssigkeit oder ein Gas wird zur Kühlung verwendet. Dies kann zum Beispiel die Umgebungsluft sein. Als weiteres Beispiel können Wärmetauscher aufgeführt werden. Überhitzter Dampf wird dem Wärmetauscher zugeführt und auf der Gegenseite strömt ein Medium, das die Überhitzungsenergie aufnimmt. Die Temperatur des zu kühlenden Dampfes kann entweder durch Regelung der eintretenden Dampfmenge oder durch Regelung der eintretenden Kühlflüssigkeitsmenge realisiert werden. In der Praxis wird die zugeführte Kühlflüssigkeitsmenge geregelt. 18 Spirax Sarco
2.1 Grundlagen der Dampfkühlung Direkte Kühlung Das Medium, mit dem der Dampf gekühlt werden soll, kommt in direkten Kontakt mit dem Dampf. In den meisten Fällen ist das Kühlmedium dasselbe Medium wie der Dampf, der gekühlt werden soll, jedoch in flüssigem Zustand. Zum Beispiel wird überhitzter Wasserdampf normalerweise mit Wasser gekühlt. In Bild 2.1.3 ist eine Einspritzkühlung schematisch dargestellt. Um den überhitzten Dampf zu kühlen, wird eine bestimmte Menge Kühlflüssigkeit in den Dampf eingebracht. Diese Kühlflüssigkeit wird durch den Dampf vermischt und aufgenommen. Da der überhitzte Dampf diese Kühlflüssigkeit aufwärmen und verdampfen muss, wird der Dampf gekühlt. Für die Einbringung der Kühlflüssigkeit in den Dampf gibt es mehrere verschiedene Verfahren, die unterschiedliche Ergebnisse liefern. Je nach Verfahren kann man fast perfekten Sattdampf (98 % Sättigung) oder eine Temperatur, die etwa 5 8 K oberhalb der des zugehörigen Dampfdruckes liegt, erreichen. Die verschiedenen Verfahren werden weiter hinten im Buch beschrieben. Temperaturregler Regelventil Kühlflüssigkeit Rückschlagventil überhitzter Dampf gekühlter Dampf Einspritz-Dampfkühler Bild 2.1.3 direkte Dampfkühlung mittels einer Einspritzdüse - schematische Skizze Berechnung der erforderlichen Kühlwassermenge Die Menge des erforderlichen Kühlwassers sollte so dosiert werden, dass man nicht wesentlich mehr eingebracht werden als notwendig ist. Eine zu geringe Kühlwassermenge hat zur Folge, dass die gewünschte Temperatur nicht erreicht werden kann. Eine zu große Kühlwassermenge hat zur Folge, dass der Dampf sehr viel Wasser mitreißt. Dies ist nicht erwünscht. In der Praxis muss aber mit einer gewissen Wasser-Übersättigung gefahren werden, damit ausreichend Kühlwasser zur Verfügung steht. Dieses überschüssige Wasser muss nach der Dampfkühlung mit einen Dampftrockner wieder abgeschieden werden. Die folgende Formel 2.1.1 basiert auf dem Energieerhaltungssatz. Die erforderliche Dampfmenge kann so einfach ermittelt werden. Gesamtenthalpie vor der Kühlung = Gesamtentalphie nach der Kühlung ṁ cw h cw + ṁ s h s = ṁ s h d + ṁ cw h d ṁ s h s + ṁ s h d = ṁ cw h d - ṁ cw h cw ṁ s (h s - h d ) = ṁ cw (h d - h cw ) ṁ cw = ṁ s (h s - h d ) (h d - h cw ) Formel 2.1.1 Spirax Sarco 19
2.1 Grundlagen der Dampfkühlung Abkürzungen: ṁ cw = Wasserdurchsatz des Kühlwassers (kg/h) ṁ s = Durchsatz des überhitzten Dampfes (kg/h) h s = Enthalpie der Überhitzung (kj/kg) h d = Enthalpie der Überhitzung nach der Kühlung (kj/kg) h cw = Enthalpie des Kühlwassers (kj/kg) Beispiel 2.1.1 Bestimmung der erforderlichen Kühlwassermenge: Druck 10 bar abs Dampfversorgung Temperatur 300 C Durchsatz 10000 kg/h Kühlwasser Druck 15 bar abs Temperatur 150 C Benötigter Dampf Druck 10 bar abs Temperatur Sattdampftemperatur +5 K Lösung: Die notwendigen Informationen können aus Dampftafeln entnommen werden. In den Tabellen 2.1.1 und 2.1.2 finden Sie alle zur Lösung erforderlichen Informationen. Tabelle 2.1.1 Sattdampftafel P Ts vg uf ug hf hfg hg sf sfg sg bar ü C m³/kg kj/kg kj/kg kj/kg K 9 175,4 0,2149 742 2581 743 2031 2774 2094 4529 6623 10 179,9 0,1944 762 2584 763 2015 2778 2138 4448 6586 11 184,1 0,1774 780 2586 781 2000 2781 2179 4375 6554 12 188,0 0,1632 797 2588 798 1986 2784 2216 4307 6523 Tabelle 2.1.2 Dampftafel für überhitzten Dampf Druck T (Temperatur) C bar ü 9 (175) 10 (180) 15 (198) 200 250 300 350 400 450 500 600 v g 0,2149 v 0,2305 0,2597 0,2874 0,3144 0,3410 0,3674 0,3937 0,4558 u g 2581 u 2628 2714 2796 2877 2959 3041 3126 3298 h g 2774 h 2835 2948 3055 30160 3266 3372 3480 3699 s g 6623 s 6753 6980 7176 7352 7515 7667 7811 8077 v g 0,1944 v 0,2061 0,2328 0,2582 0,2825 0,3065 0,3303 0,3540 0,4010 u g 2584 u 2623 2711 2794 2875 2957 3040 3124 3297 h g 2778 h 2829 2944 3052 6158 3264 3370 3476 3698 s g 6586 s 6695 6926 7124 7301 7465 7617 7761 8028 v g 1317 v 0,1324 0,1520 0,1697 0,1865 0,2029 0,2191 0,2351 0,2667 u g 2595 u 2597 2697 2784 2868 2952 3035 3120 3294 h g 2792 h 2796 2925 3039 3147 3526 3364 3473 3694 s g 6445 s 6452 6711 6919 7102 7268 7423 7569 7838 20 Spirax Sarco
2.1 Grundlagen der Dampfkühlung ṁ s = Durchsatz des überhitzten Dampfes = 10000 kg/h h s = Enthalpie der Überhitzung (bei 300 C und 10 bar abs) = 3052 kj/kg h cw = Enthalpie des Kühlwassers (150 C x 4,2 kj/kg C) = 630 kj/kg h d = Enthalpie des Dampfes nach der Kühlung (kj/kg) Um h d zu ermitteln, muss interpoliert werden, weil die exakten Werte nicht in den oben aufgeführten Tabellen enthalten sind. Zunächst die Sattdampftemperatur ermitteln: Bei 10 bar abs: T s = 180 C Bei 5 C Überhitzung: T 2 = 180 C + 5 C = 185 C Diese beiden Werte sind in der Tabellen enthalten: Enthalpie bei 10 bar abs; T s (Sattdampf) = 2778 kj/kg Enthalpie bei 10 bar abs; 200 C (Sattdampf) = 2829 kj/kg Nun muss interpoliert werden (10 bar abs und 185 C) h d = 2778 + ( (2829 kj/kg - 2778 kj/kh) x 185 C - 180 C ) 200 C - 180 C h d = 2778 + ( 51 x 5 ) 20 Also h d = 2791 kj/kg Formel 2.1.1 ṁ cw = ṁ s (h s - h d ) (h d - h cw ) ṁ cw = 10000 x (3052-2791) (2791-630) ṁ cw = 1208 kg/h Der Wasserdurchsatz ṁ cw beträgt 1208 kg/h Folgende Menge gekühlter Dampf wird geliefert: 10000 kg/h + 1208 kg/h = 11208 kg/h Wurde nun eine Gesamtmenge von 10000 kg/h gewünscht, kann der tatsächliche Bedarf an überhitztem Dampf mittels eines Dreisatzes einfach ermittelt werden: 10000 = ṁ s 11208 10000 ṁ s = 8923 kg/h Spirax Sarco 21
2.1 Grundlagen der Dampfkühlung Fragebogen 1. Welche der folgenden Eigenschaften treffen auf überhitzen Dampf zu? a. Die Enthalpie von überhitztem Dampf ist höher als die von Sattdampf. b. Die Dichte von überhitztem Dampf ist geringer als die von Sattdampf. c. Die Temperatur von überhitztem Dampf ist höher als die von Sattdampf. d. Alle zuvor genannten Punkte treffen zu. 2. Was ist der Hauptnachteil von überhitzem Dampf in Wärmetauscher-Anwendungen? a. Der überhitzte Dampf enthält weniger Wärmeenergie als Sattdampf. b. Der Wärmeübergangskoeffizient ist geringer als der für Sattdampf. c. Überhitzter Dampf ist sehr trocken. d. Überhitzter Dampf ist wenig effizient. 3. Bestimmen Sie mit Hilfe der Tabellen 2.1.1. und 2.1.2, um wieviel höher die Energie von überhitztem Dampf mit 9 bar abs und einer Überhitzungstemperatur von 74,6 C gegenüber Sattdampf mit dem selben Druck liegt. a. 1% b. 6% c. 11% d. 24% 4. Was ist die Hauptaufgabe eines Dampfkühlers? a. Den Dampfdruck zu reduzieren. b. Das Dampfvolumen zu erhöhen. c. Den Dampf niederzuschlagen, damit er als Kondensat abgeführt werden kann. d. Die Temperatur des Dampfes zu reduzieren. 5. Ermitteln Sie mit Hilfe der Tabellen 2.1.1. und 2.1.2 durch Interpolation die Enthalpie von auf 9 bar abs und (T s + 8 C) gekühltem Dampf. a. 2795 kj/kg b. 2806 kj/kg c. 2810 kj/kg d. 2815 kj/kg 6. In einem Kraftwerk werden 108 kg/s überhitzter Dampf erzeugt. Nach der Turbine hat der Dampf 110 bar abs und eine Temperatur von 500 C. Wieviel Kühlwasser wird benötigt, um den Dampf um 150 C zu kühlen? a. 5 kg/h b. 15 kg/h c. 25 kg/h d. 30 kg/h Antworten 1:d, 2:b, 3:b, 4:d, 5:a, 6:c 22 Spirax Sarco
2.2 Verfahren der Dampfkühlung Kapitel 2.2 Verfahren der Dampfkühlung Dampfkühlungen Die einfachste Art der Dampfkühlung ist, einen Teil der dampfführenden Rohrleitung ohne Wärmedämmung zu belassen, so dass Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. Dieses Verfahren ist aber zum einen gefährlich, da man sich an der heißen Dampfleitung verletzen könnte und zum anderen wird Energie verschwendet. Es sind verschiedene Typen von Dampfkühlern verfügbar. Zwei wesentliche Eigenschaften betrachten wir im nun Folgenden. Spirax Sarco 23
2.2 Verfahren der Dampfkühlung Der Regelbereich oder das Massen-Stellverhältnis, beschreibt den Bereich, in dem das entsprechende Dampfkühlsystem arbeitet. Es wird mit der Formel 4.2.1 beschrieben. Massen-Stellverhältnis = maximaler Durchsatz minimaler Durchsatz Formel 4.2.1 Dies ist ein sehr wichtiger Parameter, weil eine Änderung des Eingangsdruckes, der Temperatur und/oder des Durchsatzes eine Änderung der Kühlmenge zur Folge hat. Für eine korrekte Funktion der Dampfkühlung sind diese Änderungen jedoch nur in einem gewissen Rahmen möglich. Aus diesem Grunde ist das Massen-Stellverhältnis wichtig. Massen-Stellverhältnis gibt den minimalen und den maximalen Wert an, bei dem das System funktioniert.es sollte so groß wie erforderlich gewählt werden, aber nicht wesentlich größer. Kühlwasser-Stellverhältnis man kann auch das Stellverhältnis zwischen dem kleinsten und dem größten Kühlwasserdurchsatz angeben. Dieser Wert wird natürlich durch das Dampfdurchsatz-Stellverhältnis direkt beeinflusst. Die beiden Werte sind proportional zueinander. Kann der Kühlwasserdurchsatz nicht mehr verkleinert werden, so kann auch die minimale kühlbare Dampfmenge nicht mehr verringert werden. Das maximal erreichbare Kühlwasser-Stellverhältnis hängt vom ausgewählten System und/oder den ausgewählten Komponenten ab. Wir verweisen wieder auf die Formel: Formel 2.1.1 ṁ cw = ṁ s (h s - h d ) (h d - h cw ) Abkürzungen: ṁ cw = Wasserdurchsatz des Kühlwassers (kg/h) ṁ s = Durchsatz des überhitzten Dampfes (kg/h) h s = Enthalpie der Überhitzung (kj/kg) h d = Enthalpie der Überhitzung nach der Kühlung (kj/kg) h cw = Enthalpie des Kühlwassers (kj/kg) Mit Hilfe der Vereinfachung: (h s - h d) k = (h - h ) d cw kann die Formel auch einfacher darstellt werden: ṁ cw k x ṁ s Man sieht also, dass der Kühlwasserdurchsatz zum Dampfdurchsatz proportional ist. Der Wert k ist der Proportionalitätsfaktor. Aus dem erforderlichen Stellverhältnis für den Dampfdurchsatz folgt also das notwendige Stellverhältnis für den Kühlwasserdurchsatz. 24 Spirax Sarco
2.2 Verfahren der Dampfkühlung Anforderungen an ein Dampfkühlsystem Es ist wichtig, die genauen Anforderungen an ein Dampfkühlsystem zu prüfen. Das setzt voraus, dass man die nachgeschalteten Prozesse analysiert. Man sollte das System so aufbauen, dass es die ermittelten Anforderungen erfüllt. Das Massen- oder Dampfdurchsatz-Stellverhältnis sollte so groß wie erforderlich gewählt werden, jedoch nicht größer, denn dies würde das System nur unnötig verteuern. Man beachte stets, dass der Dampfkühler nur eine Komponente eines System ist. Es kann sein, dass zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses mehrere Systeme geeignet verschaltet werden müssen. Folgende Parameter müssen auch geregelt werden: Dampfdruck; Dampftemperatur Dampfdurchsatz; Wasserdurchsatz Temperatur vor und nach der Dampfkühlung Kühlwasserdruck Genauigkeit der Temperatur Bei Einspritzsystemen die Länge der Mischstrecke Lage der Sensoren Nachfolgend finden Sie die Beschreibung einiger wichtiger Kühlsysteme. Indirekte Dampfkühler Rohrbündelkühler in U-Form Bei dieser Bauart sind in der Regel zwei Rohrbündelwärmetauscher in U-Form angeordnet. Im unteren Bereich ist der Wasserraum verbunden. Auf der Dampfaustrittseite ist der Rohrvorkopf jeweils schwimmend gelagert. Der überhitzte Dampf strömt durch die Rohre und das Kühlmedium fließt um die Rohre und nimmt die abzubauende Wärme auf. Das Kühlmedium siedet hierdurch bei Sattdampftemperatur. Aufsteigender Dampf aus dem Kühlwasser mischt sich am schwimmend gelagerten Rohrbündelaustritt mit gekühltem Dampf und sättigt diesen zusätzlich. Druck- und Temperatursensor Sicherheitsventil überhitzter Dampf schwimmend gelagerter Rohrkopf Sattdampf Überlauf mit Kondensatableiter Niveau- Regelung Entleerung Kühlwasser bei Sattdampfbedingungen Kühlwasser Bild 2.2.2 Rohrbündelkühler in U-Form Spirax Sarco 25