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D i e b e s s e r e A n l a g e .

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

DampfkühlungGrundlagen

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In vielen Kraftwerken und Industrien wird überhitzter Dampf erzeugt und für den Betrieb ausgekoppelt. Dieser über-hitzte 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 redu-ziert 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-PhysikerFrühjahr 2012

Vorwort

© „Grundlagen Dampfkühlung“ der SPIRAX SARCO GmbH Konstanz.Nachdruck, auch auszugsweise, Kopie, Vervielfältigung und Verbreitung gleich welcher Art nur nach ausdrücklicher Genehmigung von SPIRAX SARCO.

Weitere Dokumentationen von Spirax Sarco:

• LeitfadenfürdiePraxisvonDampf-undKondensatanlagen• Arbeitsblätter(Auslegungsdiagramme)fürdieDampf-undKondensattechnologie• GrundlagenderDampf-undKondensattechnologie• GrundlagendesEinsatzesvonWärmetauscherninDampfanlagen• LebensmittelundGetränke–Best-Practice-LeitfadenfürdasDampfqualitätsmanagement

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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 Dampfumform-

ventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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

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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 primä-re Heizmedium dieses separaten Wärmetauschers können heiße Abgase oder sonstige Abhitze sein. Dieser Wärme-tauscher kann aber auch direkt feuerbeheizt werden.

Überhitzter Dampf wird gerne zur Verrichtung von mechanischer Arbeit eingesetzt, zum Beispiel in einer Turbinenan-lage, 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 Bewegungsener-gie 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 Ener-gie abgeben, indem ein Teil des Dampfes kondensiert. Bei Turbinen mit mehreren Stufen würde dies bedeu-ten, dass der Dampf mehr und mehr Kondensat enthal-ten würde. Dies würde einerseits die Gefahr von Was-serschlag 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.

Ein weiterer Grund, überhitzten Dampf in einer Turbine zu verwenden, ist die Verbesserung des thermischen Wirkungs-grades. 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 Ein-trittstemperatur gesetzt wird.

• Der Rankine Zyklus, bei dem die Differenz der Ein- und Austrittsdampfenthalpie der Turbine ins Verhältnis zur ent-nommenen Gesamtenthalpie gesetzt wird.

Beispiel 1.1Eine Turbine wird mit überhitztem Dampf mit 90 bar abs und 450 °C versorgt.DerRestdrucknachderTurbinebeträgt0,06barabs(Vakuum)undenthält10%Feuchtigkeit.Die Sattdampftemperatur beträgt 36,2 °C.

Hinweis: Die Zahlenwerte für Energie und Temperatur wurden Dampftafeln entnommen.

Dampf Turbinenschaufel

Kraft

Bild 2.3.1: Turbinenschaufel

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1.1.1 Den Carnot’schen Wirkungsgrad errechnen:

Ti = TemperaturamEingangderTurbine(450°C) = 723,0K Te = TemperaturamAusgangderTurbine(36,2°C) = 309,2K

1.1.2 Den Rankine Wirkungsgrad errechnen:

Hi = EnthalpieamEingangderTurbine(450°C) = 3256kJ/kg He = EnthalpieamAusgangderTurbine(36,2°C) = 2188,7kJ/kg = Enthalpie Dampf + Enthalpie des enthaltenen Wassers

Enthalpiebei0,06barabs = 2415kJ/kg EnthalpieWasserbei0,06barabs = 152kJ/hg Dampf90% = 0,9×2415kJ/kg EnthaltenesWasser10% = 0,1×152kJ/kg

He = (0,9×2415kJ/kg)+(0,1×152kJ/kg) He = 2188,7kJ/kg he = EnthalpieimKondensat=152kJ/kg

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 Forde-

rung am leichtesten erfüllt werden.• Die Turbinenaustrittstemperatur sollte so gering wie möglich sein. Dies wird in der Regel durch eine Kondensations-

anlage 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/-motorenundDieselaggregatengesehenwerden.

1–ÜberhitzterDampf

723,0 - 309,2

723,0

=

0,572 (57,2 %)=

ηC

Canot‘scher Wirkungsgrad ηC

Hi - He

Hi - he

=Rankiner Wirkungsgrad ηR

3256 - 2188,7 3256 - 152

=

0,344 (34,4 %)=

ηR

Rankine Wirkungsgrad ηR

Ti - Te

Ti

=Carnot‘scher Wirkungsgrad ηC

Formel 1.1 Carnotscher Wirkungsgrad

Formel 1.2 Rankine Wirkungsgrad

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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 ange-geben, 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 bar abs Einheiten

Temperatur (°C)150 200 250 300 400 500

1,013

Vg(m³/kg) 1,912 2,145 2,375 2,604 3,062 3,519

ug(kJ/kg) 2583 2659 2734 2811 2968 3131hg(kJ/kg) 2777 2876 2975 3075 3278 3488sg(kJ/kg) 7,608 7,828 8,027 8,209 8,537 8,828

Beispiel 1.2Wieviel mehr Energie enthält Dampf bei 1,013 bar abs und einer Temperatur von 400 °C als Sattdampf mit demselben Druck? hgfürSattdampfbei1,013barabs = 2676kJ/kg(auseinerSattdampftabelle) hgfürDampfmit1,013barabsund400°C = 3278kJ/kg(ausTabelle1.1.1) NurdieÜberhitzungsenthalpie = 3278kJ/kg-2376kJ/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. spezifischeWärmekapazität = 602kJ/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.TypischeWerte: 2,0kJ/kg°Cbei125°Cund1,013barabs 3,5kJ/kg°Cbei400°Cund120barabs

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 ver-schiedenenIndustrienangetroffen,insbesondereinderHPIIndustrie(HydrocarbonProcessingIndustry),dieÖlundErdölverarbeitetundherstellt.DerüberhitzteDampfliegtoftinersterLiniedeshalbvor,weilerfürdieTurbinenbenötigtwird. Für Anwendungen mit Wärmeübergang ist Sattdampf besser geeignet. Aus diesem Grund werden häufig Dampf-kühlungen unterschiedlichen Typs eingesetzt. Häufig ist eine Kühlung des Dampfes auf eine Temperatur, die bis ca. 10 K über der erwünschten Sattdampftemperatur Ts für Anwendungen mit Wärmeübergang mehr als zulässig. Die ge-ringe Überhitzung baut sich dann bei Eintritt in einen Wärmeübertrager recht schnell ab. Eine Überhitzung, die höher als 10 K über der erwünschten Sattdampftemperatur Ts 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 Überhit-

zung enthaltene Energieanteil ist vergleichsweise gering zu dem bei der Kondensation freiwerdenden Energiean-teil.

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• 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 abge-baut wird. Während dieser Zeit gibt der Dampf relativ wenig Energie ab.

• AndersalsbeiSattdampfkanndieTemperaturderÜberhitzunganverschiedenenStellen rechtunterschiedlichsein. Überhitzter Dampf kann nur Energie durch Abkühlen abgeben. Das bedeutet, dass sich ein Temperaturgradi-ent über die Wärmetauscherfläche einstellen wird. Bei Sattdampf ist diese Temperatur sehr konstant, weil die En-ergieabgabe an eine Zustandsänderung gekoppelt ist.

• In einem Wärmetauscher kann der überhitzte Dampf bestimmte Bereiche stärker erwärmen, an denen sich dann bevorzugtAblagerungen(Fouling)bilden,waswiederumzueinerstärkerenBelastungundgegebenfallsBeschädi-gung 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.• der 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 er-scheinen, 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· =Leistung(W)U =Wärmeübergangskoeffizient(W/m²°C)A =Wärmetauschfläche(m²)∆T=TemperaturdifferenzzwischenPrimär-undSelkundärfluid(°C)

DieFormel1.3zeigtauch,dassdieLeistungdirektproportionalzumWärmeübergangskoeffizientUundderWärme-tauschfläche 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 über-hitztem 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 vorausge-sagt 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 100W/m²°C.BeiSattdampfliegendieU-Wertetypischerweisebeica.1200W/m²°C.SiehehierzuBild1.2.

BeieinemdampfbeheiztenWärmetauscherzurErwärmungvonÖlliegendieU-Werteum20W/m²°CfürüberhitztenDampf.BeiSattdampfliegendieU-Wertetypischerweisebeica.150W/m²°C.TypischfüreinendampfbeheiztenRohrbündel-WärmetauschersindU-WerteimBereichum100W/m²°Cfürüber-hitztenDampf.BeiSattdampfkannmanU-Werteumca.500W/m²°Cerwarten.DiessindtypischeErfahrungswerte.Sie können je nach Konstruktion und Betriebsweise unterschiedlich sein.

Q̇ = U A ∆T

Formel 1.3

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Obwohl die Temperatur von überhitztem Dampf stets höher ist als die zum Druck zugehörige Sattdampftemperatur Ts, 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×∆Tkorrektzuberechnen,weilder 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 Er-fahrungswerte 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 Wärme-tauscher 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 Satt-dampftemperatur Ts, für Anwendungen mit Wärmeübergang zu verwenden.

WennmanüberhitztenDampfmitgeringerÜberhitzung (maximal10KoberhalbderSattdampftemperaturTs) ver-wendet, 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. istdiesdargestellt.ImEintrittsbereichdesWärmetauschers(rotgekennzeichnet)wirddieÜberhitzungabgebautund

Sattdampf; Eintritt50 W/m² °C

überhitzter Dampf; Eintritt

überhitzter Dampf;Austritt

Kondensat; Austritt

Kondensatableiterdampfbeheiztes, im Wasser

liegendes Rohrbündel

1200 W/m² °C

dampfbeheiztes, im Wasser liegendes Rohrbündel

überhitzter Dampf; Eintritt

überhitzter Dampf im Eintritt Sattdampfzustanderreicht

Sattdampf

Durchschnittlicher U-Wert entspricht in etwa dem 90 %-Wert bei Sattdampf

Kondensatableiter

Kondensat; Austritt

1200 W/m² °C

50 W/m² °C

Bild 1.2. Typische Wärmeübergangskoeffizienten U bei Sattdampf bzw. bei überhitztem Dampf

Bild 1.3 Wärmetausch mit wenig überhitztem Dampf

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dabeieinwenigWärmeabgegeben.DanachwerdenSattdampfbedingungenerreicht(orangegekennzeichnet)undderDampf kann kondensieren und dadurch den größten Teil der Wärme abgeben.Für die zusätzliche Fläche bei Beheizung mit überhitztem Dampf gibt es eine Faustformel:Pro2°CÜberhitzungwirdca.1%mehrFlächebenötigt.DieseRegelgiltbiszueinerÜberhitzungvonmaximal10°Cund 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 FlächenAlsFouling(Belagbildung)wirdjederProzessbezeichnet,beidemWärmetauscherflächendurchAblagerungeninih-rer 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, War-tung, den Einsatz von Antifoulants, durch Produktionsausfälle, durch die Auswahl teurerer Werkstoffe, um Korrosions-fouling zu verringern, und durch höhere erforderliche Pumpenleistung. Man unterscheidet unterschiedliche Arten von Fouling: Sedimentations- und Partikelfouling, chemisches Korrosionsfouling, Kristallisationsfouling, gemischtes Fou-ling 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, direkterundeffektiver.Dasheißt,obwohlbeiüberhitztemDampf∆TgrößeristalsbeiSattdampf,istderWärmeüber-gang wegen den zuvor beschriebenen Punkten meist erheblich schlechter.

Beispiel 1.3. Auslegung eines Rohrbündels für Einsatz mit überhitztem DampfÜberhitzterDampfmiteinemDruckvon3barüund10KÜberhitzung(154°C)sollalsprimäreWärmequellefüreinenRohrbündelwärmetauschermiteinerLeistungvon250kWgenutztwerden,umeinFluid(Öl)von80°Cauf120°Czuerwärmen(manverwendediegemittelteTemperaturvonTm=100°C).DieFlächedesRohrbündelssollabgeschätztwerden.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.

ZunächstbetrachtenwirdasmitSattdampf(3barü)beheizteRohrbündel.Ts = 144 °C

DerWärmeübergangskoeffizientUfürdieBeheizungvonÖldurchSattdampfkannmit500W/m²°Cangesetztwerden.

∆Tam = Ts - Tm = 144 °C - 100 °C = 44 °C

Mit Hilfe von Formel 1.3 Q· = U×A×∆T 250000 = 500W/m²°C×A×44°C=250kW A = 250000/(500×44) A = 11,4m²

BeiEinsatzvonSattdampfwürdenwireineFlächevon11,4m²benötigen.

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NunbetrachtenwirdieBeheizungmitüberhitztemDampf(3barü;Überhitzung10K,Tü=154°C).

MitHilfederFaustregel„pro2°CÜberhitzungwirdca.1%mehrFlächebenötigt“könnenwirdienotwendigeFlächeberechnen.

DieÜberhitzungbeträgt10K.Dasbedeutet,dasswir5%mehrFlächebenötigen.

BenötigteFläche = 11,4m²+5% = 11,4m²+0,6m² = 12m² →dieseFlächewürdemanbeiBeheizungmitüberhitztem

Dampf benötigen.

FoulingoderBelagbildung:WennwirnunnocheineToleranzvon5%zusätzlicherFlächefürBelagbildungberücksich-tigen ergibt sich: = 12m²+5% = 12m²+0,6m² = 12,6m² →dieseFlächewürdemanbeiBeheizungmitüberhitztem

DampfundunterBerücksichtigungvon5%Flächefüreventuelles Fouling benötigen.

Weitere Anwendungen, bei denen überhitzter Dampf eingesetzt wirdDas 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 zu-lässig, 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 DruckminderungÜberhitzterDampfkannnichtnurdurchLeitendesDampfesübereinenWärmetauscherwieEconomizeroderson-stige Abhitzekessel erfolgen. Überhitzter Dampf kann auch durch Druckminderung entstehen, also wenn sich Dampf voneinemhöherenDruck (p1; T1)zueinemniedrigenDruck (p2; T2)durcheineDüse (zumBeispieleinStellventiloderDruckminderventil)entspannt.DieUrsachefürdieÜberhitzungistderEnergieerhaltungssatz(E1 = E2).DieGe-samtenthalpie des Dampfes bei einem höheren Druck p1 muss gleich der Gesamtenthalpie des Dampfes bei einem niedrigeren Druck p2 sein. Nach der Druckminderung sollte der Dampf die zum Minderdruck p2 zugehörige Sattdampf-temperatur TS einnehmen. Dadurch, dass zu einem tieferen Druck eine tiefere Temperatur T2 gehört, aber der Ener-gieinhaltdemvonvorderDruckminderung(E1 bei p1)entsprechenmuss(E1 = E2:Energieerhaltungssatz),ergibtsichein gewisser Überhitzungsgrad für T2 gegenüber der zugehörigen Sattdampftemperatur TS.

Der Grad der Überhitzung hängt von verschiedenen Faktoren ab:• Vom Druck p1 • Vom Dampfgehalt des Dampfes mit Druck p1 • Vom Druckabfall p1 - p2 an einer Düse, z. B. am Stellventil oder Druckreduzierventil

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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 tro-ckener Sattdampf. Wird der Dampf auf Drücke reduziert, die höher als 10,5 bar ü liegen, so wird der Dampf eine Rest-feuchte 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 müßtemanSattdampfmit10barüundeinemDampfgehaltvon0,95(95%)aufeinenDruckp2=0,135barümindern,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 erhöhenSattdampf mit 6 bar ü und einem Dampfgehalt von 0,95 soll auf einen Druck p2 = 1,0 bar ü gemindert werden.Die Dampfbedingungen nach der Minderung sollen bestimmt werden:Aus den Dampftafeln: bei 6 bar ü hf = 697,5kJ/kg hfg = 2066,0kJ/kg bei 1 bar ü hf = 505,6kJ/kg hfg = 2201,1kJ/kgDie Gesamtenthalpie vor der Druckminderung beträgt: = hf+(hfg×χ) bei6barü = 697,5kJ/kg+(2066,0kJ/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.

Gesamtenthalpiebei1barü = 505,6kJ/kg+2201,1kJ/kgGesamtenthalpie 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:

Gesamtenthalpiebei6barü = 2660,2kJ/kg = hf+(hfg×χ) = 505,6kJ/kg+(2201,1kJ/kg×χ)Die Gleichung muss nun nach χ umgestellt werden:

Beispiel 1.5 Überhitzung durch ein RegelventilSattdampf mit 10 bar ü und einem Dampfgehalt von χ = 0,98 soll auf einen Druck p2 = 1,0 bar ü gemindert werden.

Die Dampfbedingungen nach der Minderung sollen bestimmt werden:Aus den Dampftafeln: bei 10 bar ü hf = 781,6kJ/kg hfg = 2000,1kJ/kg bei 1 bar ü hf = 505,6kJ/kg hfg = 2201,1kJ/kg

χ

χ

=2 660, 2 - 505, 6

2 201, 1

kJ kg kJ kg

kJ kg

= 0,979 oder 97,9 % Dampfgehalt

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Die Gesamtenthalpie vor der Druckminderung beträgt: = hf+(hfg×χ) bei10barü = 781,6kJ/kg+(2000,1kJ/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:Gesamtenthalpiebei1barü = 505,6kJ/kg+2201.1kJ/kg

Gesamtenthalpie bei 1 bar ü = 2706,7 kJ/kg

Wirsehennun,dassdieGesamtenthalpiebei10barüum35kJ/kggrößeristalsdieGesamtenthalpiebei1barü(Differenz=2741,7kJ/kg-2706,7kJ/kg=35kJ/kg).Wirbekommenalsodiesmal100%trockenenDampfmitetwasÜberhitzung. Die Energiedifferenz bewirkt die Überhitzung.Es stellt sich eine geringfügige Überhitzung von 136 °C gegenüber der Sattdampftemperatur von 120 °C ein.

Den Grad der Überhitzung können wir mit dem Mollier-Diagramm ermitteln.

Druckreduzierventil

180 °C

136 °C

1 bar10 bar

2741,7 kJ/kg

Bild 1.4 Entstehung von Überhitzung bei einer Druckminderung

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Das Mollier-DiagrammBeim Mollier-Diagramm ist die Enthalpie in Anhängigkeit der Entropie aufgezeichnet.

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 Kur-ven etwas unübersichtlich.

• KonstanteEnthalpie(waagrechteLinien;Isenthalpe)• KonstanteEntropie(senkrechteLinien;Isentrope)• DieSattdampfkurveistdiedickereLinieinderMittedesDiagramms.SietrenntdenSattdampfbereichvomBereich

des überhitzen Dampfes. Die Sattdampflinie entspricht dem Zustand von trockenem Sattdampf. Der Bereich un-terhalb der Sattdampflinie beschreibt Dampf mit Restfeuchte. Der Bereich oberhalb der Sattdampflinie beschreibt überhitzten Dampf.

• KonstanteDrucklinien(Isobaren)• KonstanteTemperaturen(Isothermen)• KonstanterDampfgehalt(unterhalbderSattdampfkurve)

Bei einer Expansion, wie sie etwa in einer Turbine oder in einem Dampfmotor stattfindet, handelt es sich um einen Pro-zess mit konstanter Entropie, das heißt, man bewegt sich senkrecht im Diagramm. Man beginnt mit den Ausgangsbe-dingungen 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 Ausgangsbedin-gungen 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.

Sattdampfkurve

Entropie s (kJ/kg K)

Enth

alpi

e h

(kJ/

kg)

Bild1.5Mollier(h,s)-Diagramm

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Beispiel 1.6 Isentropische Expansion zur Erzeugung von mechanischer ArbeitWir betrachten nun die Expansion von Dampf in eine Turbine. Der Dampf liegt mit einem Druck von 50 bar abs und ei-ner Temperatur von 300 °C vor. Der Druck am Austritt der Turbine soll p2 = 0,04 bar abs betragen.

Graphische Ermittlung des ErgebnissesDa es sich hier um eine isentropische Expansion handelt, also die Entropie konstant bleibt, können wir den Prozess miteinersenkrechtenLiniemitAnfangsbedingungenundEndbedingungenimDiagrammdarstellen(sieheBild1.7).

BeidenAnfangsbedingungenbeträgtdieEntropiecirca6,25kJ/kg°C.WennmannunderLiniesenkrechtnachuntenbis zum Wert 0,04 bar abs folgt, so erhält man die Werte für den Endzustand des Dampfes. Es ergibt sich eine Enthal-pie mit einem Wert knapp unter hg =1900kj/kgundeinemDampfgehaltvon0,72(sieheBild1.7).

Rechnerische Ermittlung des ErgebnissesMan kann den Dampfzustand aber auch mittels der Dampftabellen ermitteln.

AusdenDampftafeln:bei50barabs/300°C: hf = 2927kJ/kg sg = 6,212kJ/kg°CFür trockenen Sattdampf: bei 0,04 bar abs: sf = 0,422kJ/kg°C sfg = 8,051kJ/kg°C und sg = 8,473kJ/kg°C

Perfekte Expansion(z. B. mit Turbine)

P1

P2h2

h1

Entropie

Ent

halp

ie

Druckabfall

Perfekte Drosselung(z. B. Druckreduzierventil)

P1 P2

s2s1

Entropie

Ent

halp

ie

Druckabfall

Bild 1.6 Beispiele für Drosselung und Expansion im Mollier-Diagramm

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Wir sehen nun, dass die Entropie sgbei0,04barabs(8,473kJ/kg°C)größeralsbei50barabs/300°C(6,212kJ/kg°C)ist. Daraus folgt, dass ein Teil des Dampfes kondensiert sein muss, damit die Energiebilanz stimmt.

Um diesen Sachverhalt in Zahlen auszudrücken: sf+(sfg с) = 6,212kJ/kg°C 0,422kJ/kg°C+(8,051kJ/kg°C×с) = 6,212kJ/kg°C

Wir lösen die Gleichung nun nach c auf:

Dampfgehaltc = 0,72(72%) außerdem hg = hf+(hfg с) bei 0,04 bar abs hf = 121kJ/kg und hfg = 2433kJ/kg

folglich hg = hf+(hfg с)

hg = 121kJ/kg+(2433kJ/kg×0,72)

Gesamtenthalpie hg = 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.

Sattdampfkurve

Entropie s (kJ/kg K)

Enth

alpi

e h

(kJ/

kg)

kJ kg °C kJ kg °C

k =

6, 212 - 0,422

8, 051 с

JJ kg °C

Bild1.7Mollier(h,s)-Diagramm-Beispiel

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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.…hateinenDampfgehaltvon99%. 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 p2 = 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.…hateineEnthalpievon2941kJ/kg. d.…hateineEntropievon7,040kJ/kg°C.

Antworten:

1:a, 2:b, 3:d, 4:c, 5:b, 6:b

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Kapitel 2.1: Grundlagen der Dampfkühlung

Überhitzter Dampf

Überhitzter Dampf hat eine höhere Temperatur als die zum strömenden Dampfdruck zugehörige Sattdampftempera-tur. Zum Beispiel hat Sattdampf bei 3 bar ü eine zugehörige Temperatur von 143,6 °C. Wird dieser Dampf bei gleich-bleibendem Druck weiter erhitzt, so entsteht überhitzter Dampf. Der Grad der Überhitzung hängt von der Menge der zugeführten Energie ab.

• ÜberhitzterDampfistheißeralsSattdampf.• ÜberhitzterDampfenthältmehrEnergiealsSattdampf.• ÜberhitzterDampfhateingrößeresspezifischesVolumenalsSattdampf.

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.• HöhereStrömungsgeschwindigkeiten(bis100m/s)sindinRohrleitungenerzielbar.Dasheißt,dasDampfverteil-

netz kann mit kleineren Rohrleitungen ausgeführt werden, sofern der Druckabfall im vertretbaren Rahmen bleibt.• KeineKondensatbildungindenRohrleitungen,außerbeimAnfahrenundHerunterfahrenderAnlage.

Überhitzter Dampf hat folgende wichtigen Nachteile:• Überhitzter Dampf enthält viel Energie. Diese Energie ist in drei Energieformen enthalten; 1. die Enthalpie des Was-

sers(h‘),2.dieVerdampfungswärme(r)und3.dieEnthalpiedesüberhitztenDampfes.DergrößteTeilderEner-giestecktjedochinderVerdampfungswärme(r).DerEnergieanteil,derinderEnthalpiedesüberhitztenDampfessteckt, ist vergleichsweise gering.

Zum Beispiel: überhitzter Dampf, 10 bar a, 300 °CEnthalpie des Wassers (h‘) = 763 kJ/kgVerdampfungswärme(r) = 2015kJ/kgEnthalpie des überhitzten Dampfes = 274 kJ/kg

2.1−GrundlagenderDampfkühlung

300

250

200

150

100

50

00 5 10 15 20 25 30 35 40 45

überhitzter Dampf

Wasser

Dampfsättigung

Tem

pera

tur i

n °C

Druck in bar ü

Bild 2.1.1 Dampfdiagramm

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• ÜberhitzterDampfkannerstkondensieren,wennerseineÜberhitzungswärmeabgegebenhat,alsowennerwiederSattdampf geworden ist.

• Bei Einsatz von Dampf zur Übergabe von Wärmeenergie kann mit Sattdampf mehr Wärme übergeben werden als mitüberhitztemDampf.BeiSattdampfwirdschlagartigdiegesamteVerdampfungswärmeinFormvonKondensa-tionswärme abgegeben. Wärmetauscherflächen werden also kompakter und günstiger bei Einsatz von Sattdampf.

• VieleProzessebenötigenzumkorrektenBetriebSattdampf,zumBeispieldieSterilisation• VieleProzessearbeitennichteffektiv,wennsiemitüberhitztemDampfbeheiztwerden,wiezumBeispielDestillati-

onskolonnen.• JenachGradderÜberhitzungkannessein,dassteurereArmaturenverwendetwerdenmüssen.

Zusammenfassendkannmansagen,dassüberhitzterDampfzwarfürdieDampfverteilungvonVorteilistundfürTurbi-nenofteingesetztwird,fürdiemeistenthermischenProzesseaberehernichtwünschenswertist.BeiKraftwerkenoderBlockheizkraftwerkenwirdoftüberhitzterDampferzeugt.EbensogibtesAnlagen,indenengroßeMengenMülloderanderesMaterial(Papierindustrie,Zuckerindustrie)verbranntwerden,umüberhitztenDampfherzustellen.

InAnlagen,indenenüberhitzterDampfbereitsvorliegt,istessinnvoll,diesenimüberhitztenZustandzuverteilenunddannamVerbrauchsortaufdenerwünschtenSattdampfzukühlen.

Dampfkühlung

BeiderDampfkühlungsolldieÜberhitzungabgebautwerden.DiemeistenVerfahrenderDampfkühlungreduzierendieÜberhitzungdesDampfesaufeineTemperaturvoncirca5bis10KoberhalbderzugehörigenSattdampftemperatur.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.AlsweiteresBeispiel könnenWärmetauscheraufgeführtwerden.ÜberhitzterDampfwirddemWärmetau-scher 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 dereintretendenKühlflüssigkeitsmengerealisiertwerden.InderPraxiswirddiezugeführteKühlflüssigkeitsmengegeregelt.

Verdampfungswärme 66 %

Enthalpie des Wassers 25 %

Enthalpie des überhitzten Dampfes 9 %

Bild 2.1.2. Gesamtenthalpie des überhitzten Dampfes

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• DirekteKühlung Das Medium, mit dem der Dampf gekühlt werden soll, kommt in direkten Kontakt mit dem Dampf. In den meisten

FällenistdasKühlmediumdasselbeMediumwiederDampf,dergekühltwerdensoll,jedochinflüssigemZustand.Zum Beispiel wird überhitzter Wasserdampf normalerweise mit Wasser gekühlt. In Bild 2.1.3 ist eine Einspritzküh-lung 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.

FürdieEinbringungderKühlflüssigkeitindenDampfgibtesmehrereverschiedeneVerfahren,dieunterschiedlicheErgebnisseliefern.JenachVerfahrenkannmanfastperfektenSattdampf(98%Sättigung)odereineTemperatur,dieetwa5…8KoberhalbderdeszugehörigenDampfdruckesliegt,erreichen.

DieverschiedenenVerfahrenwerdenweiterhintenimBuchbeschrieben.

Berechnung der erforderlichen KühlwassermengeDie Menge des erforderlichen Kühlwassers sollte so dosiert werden, dass man nicht wesentlich mehr eingebracht wer-denalsnotwendigist.EinezugeringeKühlwassermengehatzurFolge,dassdiegewünschteTemperaturnichterreichtwerdenkann.EinezugroßeKühlwassermengehatzurFolge,dassderDampfsehrvielWassermitreißt.Diesistnichterwünscht.InderPraxismussabermiteinergewissenWasser-Übersättigunggefahrenwerden,damitausreichendKühlwasserzurVerfügungsteht.DiesesüberschüssigeWassermussnachderDampfkühlungmiteinenDampftrock-ner wieder abgeschieden werden.

DiefolgendeFormel2.1.1basiertaufdemEnergieerhaltungssatz.DieerforderlicheDampfmengekannsoeinfacher-mittelt werden.

überhitzter Dampf

Regelventil

Rück-schlagventil

Temperaturregler

gekühlter Dampf

Einspritz-Dampfkühler

Kühlflüssigkeit

Bild 2.1.3 direkte Dampfkühlung mittels einer Einspritzdüse - schematische Skizze

Formel2.1.1

Gesamtenthalpie vor der Kühlung = Gesamtentalphie nach der Kühlung

ṁcw hcw + ṁs hs = ṁs hd + ṁcw hd

ṁs hs + ṁs hd = ṁcw hd - ṁcw hcw

ṁs (hs - hd) = ṁcw (hd - hcw)

ṁcw = ṁs (hs - hd) (hd - hcw)

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Abkürzungen:ṁcw = Wasserdurchsatz des Kühlwassers (kg/h)ṁs = Durchsatz des überhitzten Dampfes (kg/h)hs = Enthalpie der Überhitzung (kJ/kg)hd = Enthalpie der Überhitzung nach der Kühlung (kJ/kg)hcw = Enthalpie des Kühlwassers (kJ/kg)

Beispiel 2.1.1Bestimmung der erforderlichen Kühlwassermenge:

DampfversorgungDruck 10 bar absTemperatur 300 °CDurchsatz 10000 kg/h

KühlwasserDruck 15barabsTemperatur 150°C

Benötigter DampfDruck 10 bar absTemperatur Sattdampftemperatur+5K

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 SattdampftafelP 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 662310 179,9 0,1944 762 2584 763 2015 2778 2138 4448 6586

11 184,1 0,1774 780 2586 781 2000 2781 2179 4375 655412 188,0 0,1632 797 2588 798 1986 2784 2216 4307 6523

Tabelle 2.1.2 Dampftafel für überhitzten DampfDruck

(Temperatur)bar ü

T°C 200 250 300 350 400 450 500 600

9(175)

vg 0,2149 v 0,2305 0,2597 0,2874 0,3144 0,3410 0,3674 0,3937 0,4558ug2581 u 2628 2714 2796 2877 2959 3041 3126 3298hg 2774 h 2835 2948 3055 30160 3266 3372 3480 3699sg 6623 s 6753 6980 7176 7352 7515 7667 7811 8077

10(180)

vg 0,1944 v 0,2061 0,2328 0,2582 0,2825 0,3065 0,3303 0,3540 0,4010ug2584 u 2623 2711 2794 2875 2957 3040 3124 3297hg 2778 h 2829 2944 3052 6158 3264 3370 3476 3698sg6586 s 6695 6926 7124 7301 7465 7617 7761 8028

15(198)

vg 1317 v 0,1324 0,1520 0,1697 0,1865 0,2029 0,2191 0,2351 0,2667ug2595 u 2597 2697 2784 2868 2952 3035 3120 3294hg 2792 h 2796 2925 3039 3147 3526 3364 3473 3694sg6445 s 6452 6711 6919 7102 7268 7423 7569 7838

Spirax Sarco | 21


ṁs = Durchsatz des überhitzten Dampfes = 10000 kg/hhs = EnthalpiederÜberhitzung(bei300°Cund10barabs)=3052kJ/kghcw= EnthalpiedesKühlwassers(150°Cx4,2kJ/kg°C)=630kJ/kghd = Enthalpie des Dampfes nach der Kühlung (kJ/kg)

Um hd 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: Ts = 180 °CBei5°CÜberhitzung: T2 = 180°C+5°C = 185°C

Diese beiden Werte sind in der Tabellen enthalten:

Enthalpie bei 10 bar abs; Ts (Sattdampf) = 2778 kJ/kg Enthalpie bei 10 bar abs; 200 °C (Sattdampf) = 2829 kJ/kg

Nunmussinterpoliertwerden(10barabsund185°C)

Also hd = 2791 kJ/kg

Der Wasserdurchsatz ṁcw beträgt 1208 kg/h

FolgendeMengegekühlterDampfwirdgeliefert:

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:

hd = 2778 + ((2829 kJ/kg - 2778 kJ/kh) x 185°C-180°C

) 200 °C - 180 °C

hd = 2778 + (51x5 ) 20

Formel2.1.1


ṁcw = 10000x(3052-2791)

(2791 - 630)

ṁcw = 1208 kg/h

10000 = ṁs

11208 10000

ṁs = 8923 kg/h

22 | Spirax Sarco


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.AllezuvorgenanntenPunktetreffenzu.

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 (Ts + 8°C) gekühltem Dampf.

a.2795kJ/kg b. 2806 kJ/kg c. 2810 kJ/kg d.2815kJ/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.5kg/h b.15kg/h c.25kg/h d. 30 kg/h

Antworten

1:d,2:b,3:b,4:d,5:a,6:c

Spirax Sarco | 23

2.2−VerfahrenderDampfkühlung

Kapitel 2.2 Verfahren der Dampfkühlung

Dampfkühlungen

DieeinfachsteArtderDampfkühlungist,einenTeilderdampfführendenRohrleitungohneWärmedämmungzubelas-sen,sodassWärmeandieUmgebungabgegebenwerdenkann.DiesesVerfahrenistaberzumeinengefährlich,damansichanderheißenDampfleitungverletzenkönnteundzumanderenwirdEnergieverschwendet.EssindverschiedeneTypenvonDampfkühlernverfügbar.ZweiwesentlicheEigenschaftenbetrachtenwirimnunFol-genden.

24 | Spirax Sarco


Der Regelbereich oder das Massen-Stellverhältnis, beschreibt den Bereich, in dem das entsprechende Dampfkühl-systemarbeitet.EswirdmitderFormel4.2.1beschrieben.

Dies ist ein sehrwichtigerParameter, weil eine Änderung des Eingangsdruckes, der Temperatur und/oder des Durch-satzeseineÄnderungderKühlmengezurFolgehat.FüreinekorrekteFunktionderDampfkühlungsinddieseÄnde-rungenjedochnurineinemgewissenRahmenmöglich.AusdiesemGrundeistdasMassen-Stellverhältniswichtig.

Massen-Stellverhältnis – gibt den minimalen und den maximalen Wert an, bei dem das System funktioniert.Es sollte sogroßwieerforderlichgewähltwerden,abernichtwesentlichgrößer.

Kühlwasser-Stellverhältnis–mankannauchdasStellverhältniszwischendemkleinstenunddemgrößtenKühlwas-serdurchsatz 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-Stell-verhältnis hängt vom ausgewählten System und/oder den ausgewählten Komponenten ab. Wir verweisen wieder auf dieFormel:

Abkürzungen:ṁcw = Wasserdurchsatz des Kühlwassers (kg/h)ṁs = Durchsatz des überhitzten Dampfes (kg/h)hs = Enthalpie der Überhitzung (kJ/kg)hd = Enthalpie der Überhitzung nach der Kühlung (kJ/kg)hcw = Enthalpie des Kühlwassers (kJ/kg)

MitHilfederVereinfachung:

kanndieFormelaucheinfacherdarstelltwerden: ṁcw ∝ k x ṁs

Man sieht also, dass der Kühlwasserdurchsatz zum Dampfdurchsatz proportional ist.DerWert„k“istderProportionalitätsfaktor.

AusdemerforderlichenStellverhältnisfürdenDampfdurchsatzfolgtalsodasnotwendigeStellverhältnisfürdenKühl-wasserdurchsatz.

Massen-Stellverhältnis = maximaler Durchsatz

minimaler Durchsatz

Formel4.2.1

k (h - h )(h - h )

= s

d cw

d

Formel2.1.1


SpiraxSarco | 25


Anforderungen an ein DampfkühlsystemEsistwichtig,diegenauenAnforderungenaneinDampfkühlsystemzuprüfen.Dassetztvoraus,dassmandienach-geschaltetenProzesseanalysiert.MansolltedasSystemsoaufbauen,dassesdieermitteltenAnforderungenerfüllt.DasMassen-oderDampfdurchsatz-Stellverhältnissolltesogroßwieerforderlichgewähltwerden,jedochnichtgrößer,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 desgewünschtenErgebnissesmehrereSystemegeeignetverschaltetwerdenmüssen.FolgendeParametermüssenauch 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-FormBeidieserBauartsindinderRegelzweiRohrbündelwärmetauscherinU-Formangeordnet.ImunterenBereichistderWasserraumverbunden.AufderDampfaustrittseiteistderRohrvorkopfjeweilsschwimmendgelagert.DerüberhitzteDampfströmtdurchdieRohreunddasKühlmediumfließtumdieRohreundnimmtdieabzubauendeWärmeauf.DasKühlmediumsiedethierdurchbeiSattdampftemperatur.AufsteigenderDampfausdemKühlwassermischtsichamschwimmend gelagerten Rohrbündelaustritt mit gekühltem Dampf und sättigt diesen zusätzlich.

überhitzter Dampf

Druck- und Temperatursensor Sicherheitsventil

Sattdampf

Kühlwasser

Kühlwasser bei Sattdampfbedingungen

schwimmend gelagerter Rohrkopf

Entleerung

Niveau-Regelung

Überlauf mitKondensatableiter

Bild2.2.2RohrbündelkühlerinU-Form

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Vorteile:• DasStellverhältnisistlediglichdurchdieausgewähltenArmaturenbegrenzt• Mankannbisauf+5KandieSattdampftemperaturherankommen• HoheDrückeundTemperaturenrealisierbar;typischbis60barund450°C• Schnelle Reaktion

Nachteile:• Platzbedarfistrechtgroß• Kosten• DieWärmetauscheroberflächenmüssenfreivonAblagerungengehaltenwerden

Typischer Einsatz:• WoeingroßesMassen-Stellverhältnisabgedecktwerdenmuss

Direkte Dampfkühler

WasserbadkühlerDie Dampfkühlung durch einen Wasserbadkühler erfolgt dadurch, dass der überhitzte Dampf durch ein Wasserbad ge-leitet wird. Hierdurch verdampft der überhitzte Dampf einen Teil des Kühlwassers und gibt somit einen Teil seiner Wär-me ab. Der nun so aus dem Wasserbadkühler austretende Dampf wird bei Sattdampftemperatur erzeugt und erreicht einenDampfgehaltvonüber98%.Esempfiehltsich,nachdemDampfabzugdesWasserbadkühlerseinenDampftrock-ner mit entsprechender Entwässerung vorzusehen.

Sattdampf

Drucksensor

Dampfraum

Wasserbad

Manometer

Zulauf Kühlwasser

überhitzter Dampf

Niveau-regler

Druckerhöhungfür Kühlwasser

Über-lauf

Druckreduzier-ventil

Rück-schlag-kappe

Bild 2.2.3 Wasserbadkühler

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Vorteile:• Einfach und zuverlässig• Der Dampf wird bei Sattdampftemperatur erzeugt• Dampfgehaltvonüber98%• Stellverhältnisistsehrgroß• Schnelle Reaktion

Nachteile:• Platzbedarfistrechtgroß• FürhoheTemperaturenwenigergeeignet

Typischer Einsatz:• WoeinsehrgroßesMassen-Stellverhältnisabgedecktwerdenmuss• Wo keine Restüberhitzung zulässig ist

Dampfkühlung mittels Einspritzung

DieDampfkühlungdurchEinspritzungisteinVerfahren,beidemWasseroderKondensatmittelseinerDüseodereinesDüsensystems mit dem überhitzten Dampf in die Dampfrohrleitung eingespritzt wird. Die Einspritzmenge wird über ein Stellventil im Wasserzulauf geregelt. Es handelt sich hierbei um eine Temperaturregelung. Nach der Einspritzdüse durchmischt sich der überhitzte Dampf mit dem eingespritzten, fein verteilten Wasser und gibt einen Teil seiner Wärme ab und verdampft hierdurch einen Teil des eingespritzten Wassers. Hierdurch entsteht der Kühleffekt.

DasKühlwasserwirdüberDüseneingespritzt.EsgibthierzueineAnzahlverschiedenerLösungen,diespätervorge-stellt werden.

ImGroßenundGanzensindfolgendeEinflussfaktorenvonBedeutung:

TröpfchengrößeJekleinerdieTröpfchengröße,destogrößerwirddieWasseroberfläche imVergleichzur transportiertenMasse.JemehrOberflächezurVerfügungsteht,umsoschnellerundeffektivererfolgtdieVerdampfungdeseingespritztenWas-sersdurchAufnahmevonWärmeausdemüberhitztenDampf.JekleinerdieTröpfchengröße,umsokürzerdieerfor-derliche Durchmischungsstrecke. Der Wasserstrahl wird üblicherweise mittels Düsen oder Druckzerstäuberdüsen in kleinste Tröpfchen aufgeteilt.

TurbulenzenWenn der Durchfluss durch die Durchmischungsstrecke turbulenter erfolgt, so verweilen die Tröpfchen länger in der Durchmischungsstrecke und somit erfolgt der Wärmeübergang schneller und effektiver. Höhere Turbulenzen führen folglich zu einer kürzeren Mischstrecke. TurbulenzenkönnendurchfolgendeMaßnahmegefördertwerden:Druckabfall über die Einspritzdüse – das Kühlwasser wird mit einem viel höheren Druck als der Dampfdruck einge-spritzt. Die Tropfen werden hierdurch sehr schnell und turbulent eingespritzt. Sie verteilen sich fein.Geschwindigkeit – die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes kann durch kleinere Rohrleitungen erzielt werden. AuchkönnenEinbautenwieRingblendenoderVenturi-DüsenTurbulenzenerhöhen.Überhitzer Dampf kann mit Geschwindigkeiten von 40 bis 60 m/s in einen Einspritz-Dampfkühler geleitet werden. Die 60 m/s sollten aber dennoch nicht überschritten werden.

Druckminderung vor der EinspritzstelleIst gleichzeitig mit der Dampfkühlung eine Druckminderung verbunden, so empfiehlt es sich, diese unmittelbar (weniger als 1 m) vor der Einspritzstelle vorzusehen. Bei einer Druckminderung entstehen viele Turbulenzen, die für das Durch-mischendeseingespritztenWassersvongroßemVorteilsind.

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WasserdurchsatzDieDurchflussmengewirddurcheinigeFaktorenbeeinflusst.SieheFormel4.2.11:

Abkürzungen:qv = Wasserdurchsatz (m3/h)C = Durchflusskonstante der EinspritzdüseA=FlächederDüse(m2)g = Gravitationskonstante (9,81 m/s2)Δp=DruckabfallüberdieEinspritzdüse

BeiBetrachtungderFormel4.2.11erkenntman,dass,umdenDurchflusszubeeinflussen,lediglichzweiFaktorentat-sächlich verändert werden können. Die beiden Konstanten g und C sind unveränderlich.

Änderung des Druckabfalls über die EinspritzdüseAusderFormel4.2.11kannmanherleiten,dassderDurchflussproportionalzumDruckabfallist.

V ∝ √Δp

Diesbedeutet,dasswennzumBeispielderDurchsatzumeinenFaktor5erhöhtwird,sichderDruckumeinenFaktor52=25erhöhenmüsste.Dies ist die Ursache, die bei einem Einspritzsystem das Dampfdurchsatz-Stellverhältnis nach unten begrenzt.

Zusätzlichdazu,dassdieeingespritzeMengebeeinflusstwird,sindweiterezweiPunktezuberücksichtigen.

1. Es ist wichtig, dass der Druck des Kühlwassers höher als der Dampfdruck an der Einspritzstelle ist.2. JegrößerderDruckabfallanderDüse,destobesserundfeinerdieTröpfchenbildung.

Änderung der Düsenfläche ABeiBetrachtungderFormelsiehtman,dassderDurchflussproportionalzurDüsenflächeist:

V ∝ A

Dieser direkte Zusammenhang bedeutet für uns, dass wenn zum Beispiel der Durchsatz verfünffacht werden soll, die Flächeauchverfünffachtwerdenmuss.DieskannmanleichtmiteinerDüsenanordnungerreichen,beidermandieFlächederDüseändernkannoderalternativ,wiedaszumBeispielbeieinemMehrdüsensystemderFallist:Hierwer-den bei Bedarf weitere Düsen für das Kühlmedium freigegeben.

KühlwasserDüsenspindel

Sitz

Ringdüse Regelkegel

qv = C A 2 g ∆p

Formel4.2.11

Bild2.2.4DüsemitveränderlicherFläche

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Thermisches SchutzrohrDie Einspritzung des Kühlwassers soll so exakt wie möglich erfolgen, damit dass Kühlwasser sich mit dem zu küh-lenden Dampfstrom vermischt und nicht ausfällt. Das kühlere Wasser kann in der Rohrleitung zu Thermoschock führen, alsodieRohrleitungsostarkthermischbelasten,dassRisseauftretenkönnen.InsolchenFällenkannessinnvollsein,einSchutzrohreinzusetzen,umdieaußenliegendeRohrleitungvorsolchenSchädenzuschützen.

Das Schutzrohr wird so eingebracht, dass es vom überhitzten Dampf in der Ringfläche zwischen dem Schutzrohr und derRohrleitungumströmtwird.DiesesSchutzrohristaufgrundseinerEinbaulagewärmeralsdieaußenliegendeRohr-leitung, was wiederum die Nachverdampfung von Wassertröpfchen, die auf das Schutzrohr prallen, begünstigt.

Einspritz-Dampfkühler

Einspritzkühler mit einer DüseDieeinfachsteArtderDampfkühlungisteinSystem,beidemdieEinspritzdüsedirektanderGehäusewandungvorge-sehen wird.

Kühlwasser

thermisches Schutzrohr

überhitzter Dampf

Eintritt Kühlwasser

Stellantriebfür Kühlwasser

überhitzterDampf

gekühlter Dampf

Bild2.2.5ThermischesSchutzrohrmiteinerEinspritzdampfkühlung

Bild 2.2.6 Einspritzkühler mit einer Düse

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Das Kühlwasser oder Kondensat wird mittels einer radial sprühenden Düse in die Dampfrohrleitung mit dem über-hitzten Dampf eingespritzt. Das Stellventil wirkt direkt auf den Kegel der Düse und regelt so die Einspritzmenge.

Vorteile:• Einfach• Relativ kostengünstig• Erzeugt sehr kleinen Druckabfall in der Dampfleitung

Nachteile:• Stellverhältnis gering; typisch 3:1• Restüberhitzung bestenfalls +10 K oberhalb der zugehörigen Sattdampftemperatur• Längere Durchmischungsstrecke als bei Zerstäuberdüsen erforderlich• Beschädigung der Rohrleitung möglich; Einsatz eines thermischen Schutzrohres sinnvoll• UngestörteVerdampfungsstreckeerforderlich• Nur für kleinere Dampfleitungen geeignet

Typischer Einsatz:• Relativ konstante Dampfabnahme• Relativ konstante Dampftemperatur• Relativ konstante Kühlwassertemperatur

Einspritzkühler mit mehreren ringförmig angeordneten DüsenDiesistdieWeiterführungderzuvorbeschriebenenArtderDampfkühlung.MehrereradialangeordneteDüsenspritzengleichzeitig Kühlwasser in den überhitzten Dampfstrom.

Das Kühlwasser oder Kondensat wird radial in die Dampfrohrleitung mit dem überhitzten Dampf eingespritzt. Das Stell-ventil regelt so die Einspritzmenge.

Vorteile:• ZurEinspritzungisteingeringererPumpendruckalsbeidemzuvorbeschriebenenEindüsensystemerforderlich,

deshalb ist ein thermisches Schutzrohr nicht notwendig.• Die Durchmischungsstrecke ist etwas kürzer als bei dem zuvor beschriebenen Eindüsensystem. Dennoch ist sie

länger als bei anderen Systemen.

Nachteile:• Stellverhältnisgering;typisch3:1bismaximal5:1• UngestörteVerdampfungsstreckeerforderlich

Düseneinheit

Kühlwasser

überhitzterDampf

gekühlterDampf

Bild 2.2.7 Einspritzdampfkühler mit mehreren ringförmig angeordneten Düsen

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AndereVor-undNachteileunddertypischeEinsatzentsprecheninetwadenendeszuvorbeschriebenenEindüsen-systems.

Einspritzkühler mit axial angeordneter DüseAuchhierbeihandeltessichumeineneinfachenEin-oderMehrdüsen-Dampfkühler,aberdieEinpritzstellewurdeindieMittederDampfleitunggebrachtunddieEinspritzungerfolgtmeistinStrömungsrichtung.JenachArtderDüseer-folgt die Kühlwasserzerstäubung mehr oder weniger fein. Oft wird bei solchen Systemen ein thermisches Schutzrohr verwendet.

Bei axial ausgerichteten Einspritzkühlern wird die Durchmischung von Kühlwasser und überhitztem Dampf durch zwei Punktepositivbeeinflusst:• Durch die Einspritzung in der Rohrleitungsmitte erfolgt die Kühlwasserverteilung gleichmäßiger im überhitzten

Dampf.• Die Einspritzstelle wirkt als Hindernis in der Dampfströmung und erzeugt so erhebliche zusätzliche Turbulenzen,

die die Durchmischung begünstigen.

EineweitereVarianteistdieEinspritzungentgegenderStrömungsrichtungdesDampfes.HierdurchwerdenvieleTur-bulenzen erzeugt und folglich wird eine gute Durchmischung erzielt.

Kühlwasser

Einspritzdüse

gekühlterDampf

thermisches Schutzrohr

überhitzterDampf

Strömung

Störkörper

überhitzter Dampf

gekühlter Dampf


Düsen mit Verwirbelungsblechen

Bild 2.2.8 Einspritzdampfkühler mit einer axial ausgerichteten Düse

Bild 2.2.9 Wirbelentstehung um einen Störkörper (Karmannsche Wirbelstrasse)

Bild 2.2.10 Einspritzdampfkühler mit einer axial ausgerichteten Düse; Einspritzung entgegen der Durchflussrichtung

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Vorteile:• Einfach• Keine bewegten Teile• Relativ kostengünstig• Erzeugt kleinen Druckabfall in der Dampfleitung

Nachteile:• Stellverhältnis gering; typisch 3:1• Restüberhitzung bestenfalls +10 K oberhalb der zugehörigen Sattdampftemperatur• Längere Durchmischungsstrecke als bei Zerstäuberdüsen erforderlich; jedoch kürzere als bei seitlich in die Rohr-

leitung montierter, radial sprühender Düse.• Beschädigung der Rohrleitung möglich; Einsatz eines thermischen Schutzrohres sinnvoll• Nur für kleine Dampfleitungen geeignet• UngestörteVerdampfungsstreckeerforderlich

Typischer Einsatz:• Relativ konstante Dampfabnahme• Relativ konstante Dampftemperatur• Relativ konstante Kühlwassertemperatur

Einspritzkühler mit axial angeordneten Mehrfach-Düsen (Düsenstock)Andersalsbeiden1-DüsenDampfkühlern,sindMehrfach-Düsen-DampfkühlermitmehrerenDüsenausgerüstet,diesichüberdenBereichderStrömungverteilen.DiesführtzueinereffektiverenVerteilungderDampftröpfchen.DadieDüsen in der Regel übereinander liegen, spricht man oft von einem Düsenstock. Man unterscheidet drei Haupttypen:

1. Dampfkühler mit mehreren FestdüsenAlleDüsensindstetsoffenundwerdengleichzeitigmitKühlwasserversorgt.DieeingespritzteKühlwassermengewirdüber ein Stellventil im Wasserzulauf geregelt. Die Düsenfläche ist konstant.


überhitzter Dampf

Mehrfach-Düse

Einspritzventil für Kühlwasser

pneumatischer Stellantrieb

Bild2.2.11DampfkühlermitmehrerenFestdüsen

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2. Dampfkühler mit variabler Festdüsenanzahl (Düsenstockkühler)DieDüsensindhier,ähnlichwieoben,übereinanderangeordnet.DieVentilspindelbewegteinenVerschlusskegelaufund ab. Hierdurch werden, je nach Bedarf an Einspritzmenge, die einzelnen Düsen freigegeben oder wieder verschlos-sen. Die Düsenfläche ändert sich.

3. Druckgefälle DampfkühlerEs handelt sich hier um einen mechanischen eigenmedium-gesteuerten Differenzdruck-Dampfkühler mit meist vari-ablerDüsenzahl.DieVentilspindelmitdemVerschlusskegelwirdhiernichtdurcheinenStellantriebbetätigt,sondernist federbelastet und wird, je nach Differenzdruck, zwischen dem Druck des kühlenden Mediums mit dem Druck des überhitzten Dampfes bewegt. Hierdurch ändert sich die Düsenfläche. Die Kühlwassermenge und damit der Kühlwas-serdruckwirdübereinRegelventilgeregelt.DruckgefälleDampfkühlerwerdeninderPraxiswenigeingesetzt.

Vorteile:• StellverhältnisDampfkühlermitMehrfach-Düsentypisch:5:1bis8:1• Stellverhältnis Dampfkühler mit variabler Düsenzahl typisch: bis 12:1 (Düsenstockkühler)• StellverhältnisDruckgefälleDampfkühler:typisch5:1bis9:1

Nachteile:• Restüberhitzung bestenfalls +8K oberhalb der zugehörigen Sattdampftemperatur• Längere Durchmischungsstrecke als bei Zerstäuberdüsen erforderlich;• Beschädigung der Rohrleitung möglich; Einsatz eines thermischen Schutzrohres sinnvoll• Nicht für kleine Dampfleitungen geeignet• Bei Druckgefälle Dampfkühler höherer Wasserdruck erforderlich• DampfkühlermitveränderlicherFlächeodermitFederbelastungkönnenteurersein• UngestörteVerdampfungsstreckeerforderlich

Typischer Einsatz:• Bei veränderlicher Dampfabnahme, wo das Stellverhältnis mit einer Düse nicht erreicht werden kann• Relativ konstante Dampftemperatur• Relativ konstante Kühlwassertemperatur• DüsenstockkühlergernefürgroßeNennweiten

Ventilspindel mit Stellantrieb

Eintritt KühlwasserVentilspindel

Wasservorlage

Ventilkegel

überhitzter Dampf

Bild2.2.12DampfkühlermitvariablenFestdüsenanzahl

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Fragebogen

1. Welcher Typ Dampfkühler muss ausgewählt werden, wenn es unbedingt erforderlich ist, dass 100% Satt-dampf vorliegt?

a.EinpritzsdampfkühlermitVerstelldüse b. Einpritzsdampfkühler mit gegen Strömungsrichtung eingebauter axialen Düse c. Einpritzsdampfkühler mit einer radialen Düse d. Wasserbadkühler

2 Welcher der folgenden Parameter kann geändert werden, um den Kühlwasserdurchsatz für einen Einspritz-kühler zu erhöhen?

i. der Druckabfall über die Einspritzdüse ii. die Fläche der Einspritzdüse iii. die Kühlwassertemperatur

a. nur i. b. nur ii c. i und ii. d. alle 3

3. Welchen Vorteil hat Einspritzkühler mit mehreren ringförmig angeordneten Düsen gegenüber einem Eindü-sen-Einspritzkühler?

a. die Dampfaustrittstemperatur liegt näher an der Sattdampftemperatur b. der Regelbereich (Massen-Stellverhältnis) ist besser c. die notwendige Durchmischungsstrecke ist kürzer d. er kann gut auch bei kleinen Rohrleitungsnennweiten verwendet werden

4. Was ist die primäre Funktion eines thermischen Schutzrohres? a. die Temperatur des Dampfes zu mindern b. um Erosion im der Einspritzstelle folgenden Rohrleitungsabschnitt zu vermeiden c. um Energieverluste durch Wärmeabstrahlung der Rohrleitung zu minimieren d. um die Menge des benötigten Kühlwassers zu reduzieren

5. Welchen Vorteil haben Dampfkühler mit veränderlicher Fläche (zum Beispiel mit variabler Festdüsenanz-ahl) gegenüber einem Einspritzkühlern mit fester Fläche?

a. die Dampfaustrittstemperatur liegt näher an der Sattdampftemperatur b. der Regelbereich (Massen-Stellverhältnis) ist besser c. die notwendige Durchmischungsstrecke ist kürzer d. er kann gut auch bei kleinen Rohrleitungsnennweiten verwendet werden

6. Was sind die Hauptanwendungsgebiete für Einspritzdampfkühler? a.AnwendungenmitrechtkonstantenAnforderungenandenKühlwasserdurchsatz b.AnwendungendieeinengroßenRegelbereich(Massen-Stellverhältnis)benötigen c.AnwendungenbeidenendieDampfabnahmestarkschwankt d.AnwendungenbeidenendieÜberhitzungvölligabgebautwerdenmuss

Antworten:

1:d,2:c,3:c,4:b,5:b,6:a

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2.3−WeitereVerfahrenderDampfkühlung

Kapitel 2.3: Weitere Verfahren der Dampfkühlung

Venturi-Dampfkühler

Bei einemVenturi-Kühlerwird derQuerschnitt der dampfführendenRohrleitung reduziert. Es erhöht sich dieStrö-mungsgeschwindigkeitundhierdurchentstehengrößereTurbulenzen,waswiederumzueinerverbessertenDurchmi-schung führt. Die Mischstrecke wird also kürzer.

Die Dampfkühlung findet in zwei separaten Stufen statt:1. In der ersten Stufe der Dampfkühlung wird ein Teilstrom des Dampfes in das Innere der Düse geleitet. Oft handelt

es sich hierbei um eine Hohlkegeldüse. Man findet auch Ringdüsen im Einsatz, bei denen das Wasser an der Stelle deskleinstenQuerschnittseingespritztwird.AufgrundderhohenStrömungsgeschwindigkeitentstehensehrfeineTröpfchen, die nun, meist mehrstrahlig, in der Düse noch weiter vermischt werden.

2. In der zweiten Stufe mischt sich das aus der ersten Düseneinheit austretende Dampf / Tröpfchengemisch mit dem verbleibendenDampfstrom imEintrittsbereichderVenturi-Düse. IndiesemBereichherrschtaufgrunddes redu-ziertenRohrquerschnittsinderVenturi-DüseeinebesondershoheGeschwindigkeitundTurbulenz.DieReduzie-rungdesDurchmesserskannbiszurHälftederDampfrohrleitungbetragen.DurchdiemitdiesemVerfahrener-reichte Geschwindigkeit wird zudem der Kontakt des eingespritzten Wassers mit der Rohrwandung minimiert. Mit diesemVerfahrenerzieltmaneinesehreffektiveDurchmischungundschontgleichzeitigdieRohrleitungderKühl-strecke.

Venturi-DampfkühlerhabeneinenrelativgroßenLastbereich.Dieserliegttypischerweisezwischen4:1und5:1.DaserzielbareStellverhältnishängtmaßgeblichvonderArtderverwendetenDüseab.In Kombination mit einer direkt vorgeschalteten Druckreduzierung kann dieses noch etwas höher sein.

Venturi-DampfkühlerkönneninwaagrechteodersenkrechteDampfleitungeneingebautwerden.BeiEinbauinsenk-rechte Dampfleitungen ist die Strömungsrichtung von unten nach oben zu wählen. Die Dampfkühlung erfolgt etwas besser,esistinderPraxisjedochoftschwierig,einegeeigneteEinbaustellemitgenügendgeradersenkrechterRohr-leitung zu finden.

HatmaneinegenügendlangeDurchmischungsstreckezurVerfügung,sokannmanaucheinDampfkühlsystemauf-bauen,indemmandieobenbeschriebenekleineVenturi-Mischdüseverwendet,aberinderHauptrohrleitungaufdieVenturi-Düseverzichtet.

Kühlwasser

Rohrleitung

überhitzter Dampf

DüseneinheitDüse

Venturi-Düse

Bild2.3.1Venturi-Dampfkühler

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Vorteile:• StellverhältnisVenturi-Dampfkühlertypisch:4:1bis5:1• EinfachesArbeitsprinzip• Keine beweglichen Teile• Robuste Bauart• Gute Temperaturregelung möglich• Restüberhitzung bis +3 K oberhalb der zugehörigen Sattdampftemperatur• Schonend für die Rohrleitung• Relativ geringer Druckverlust (mehr als bei einfacher Einpritzdüse)

Nachteile:• Längere Durchmischungsstrecke als bei Zerstäuberdüsen erforderlich;• Nicht für kleine Dampfleitungen geeignet• MüssenoftinRohrleitungeingeschweißtwerden• UngestörteVerdampfungsstreckeerforderlich

Typischer Einsatz:• Bei veränderlicher Dampfabnahme, wo das Stellverhältnis mit einer Düse nicht erreicht werden kann• Relativ konstante Dampftemperatur• Relativ konstante Kühlwassertemperatur• DN50bis300

Treibdampfkühler

Bei der Dampfkühlung mit einer Treibdampfdüse wird eine sehr feine Zerstäubung des Kühlwassers mit Hilfe eines se-paraten,höherenTreibdampfstromesmithöheremDruckerreicht.MansprichtauchvonWasser-Atomisierung.

Der Treibdampf (oder Zerstäuberdampf) und das Kühlwasser werden der Düse separat zugeführt. Die Dampfkühlung findet in zwei separaten Stufen statt:1. In der ersten Stufe der Dampfkühlung strömt der Treibdampf mit hoher Geschwindigkeit an der Kühlwasserdüse

vorbeiundzerstäubtdasKühlwasserinfeinsteTröpfchen.DerTreibdampfhatmeisteinen1,5-fachenDruckdeszukühlenden Dampfes, minimal jedoch einen Druck von 4 bar oberhalb des Druckes des zu kühlenden Dampfes. Der TreibdampfdurchsatzliegtmeistimBereichzwischen2%und5%desHauptdampfstromes.DerDruckdesKühl-wassers kann relativ gering sein; meist reicht es, wenn er höher als der Dampfdruck des zu kühlenden Dampfes ist.

Zerstäuberdampf Kühlwasser

Düse

Düseneinheit

überhitzter Dampf

Bild 2.3.2 Treibdampfkühler

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2. In der zweiten Stufe mischt sich das aus der Düseneinheit austretende Dampf / Tröpfchengemisch mit dem ver-bleibendenDampfstrom.DieVerdampfungderTröpfchenerfolgtdankeinersehreffektivenDurchmischungschonnach kürzester Wegstrecke. Die Rohrwandung der Kühlstrecke wird durch eingespritztes Kühlwasser nicht oder kaum getroffen, hierdurch wird die Rohrleitung geschont.

Da der Treibdampfkühler einen deutlich höheren Dampfdruck als den des zu kühlenden Dampfes benötigt, ist es sinn-voll,dieseArtvonDampfkühlungnacheinerDruckreduzierungeinzusetzen.BeisolcheinerAnordnungkannderTreib-dampf hochdruckseitig entnommen werden. Durch die Wasseratomisierung mit einem Treibdampfkühler entsteht ein sehr effektiver Wärmeübergang und damit einebesondersguteVerdampfung.DiesistgleichbedeutendmiteinerrelativkurzenDurchmischungsstrecke,waswie-derum die Totzeit der Regelung verringert und dadurch die Regelbarkeit verbessert. Der Hauptvorteil ist jedoch, dass einsehrgroßerDurchsatz-Regelbereichvon5%...100%(20:1)abgedecktwerdenkann,ohnedassdieVerdampfungdesKühlwassersstarkbeeinträchtigtwird.ProblemetretendanneherwiederdurchzugeringeStrömungsgeschwin-digkeitinderDurchmischungsrohrleitungauf,beidenendanndieFeuchtigkeitauszufallenbeginnt.EinetypischeIn-stallation wird in Bild 2.3.3 gezeigt.

Vorteile:• Stellverhältnisistrechtgut;typisch:20:1einigebiszu50:1• Sehr gutes Regelverhalten im Teillastbereich• Kürzere Durchmischungsstrecke als bei anderen Einspritzkühlern• Das Kühlwasser kann kalt sein; es wird durch den Treibdampf erhitzt• Geringer Wasserüberschuss• Schonend für die Rohrleitung

1. Dampfkühler mit Zerstäuberdüse2. Stellventil für Druckreduzierung3. Regelventil für Kühlwasser4. Treibdampfventil5. Prozessregler für Druckregelung

Druckluft

überhitzter Dampf

gekühlter Dampf

Zerstäuber Dampf

Rückschlagventil

Regelventil

Kühlwasser

Rückführung Wasser

6. Prozessregler für Temperaturregelung7. Temperatursensor8. Drucksensor9. Druckluftregler

12

34

5

6

7 8

9

7,5 m

3 m2 m

Bild 2.3.3 Treibdampfkühler – typische Installation

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• Restüberhitzung bis + 6 K oberhalb der zugehörigen Sattdampftemperatur erreichbar• Relativ geringer Druckverlust (mehr als bei einfacher Einpritzdüse)

Nachteile:• Treibdampf mit entsprechend höherem Druck ist erforderlich• FürdenTreibdampfistzusätzlicheVerrohrungundBeschaltungerforderlich• Treibdampfleitung muss entwässert werden• UngestörteVerdampfungsstreckeerforderlich

Typischer Einsatz:• Bei stark veränderlicher Dampfabnahme• Dampfkühlung in Kombination mit Druckreduzierung

Einspritzkühler mit variabler Düse

Bei der Dampfkühlung mit einer variablen Düse ändert sich die freigegebene Düsenfläche des Kühlwassers mit dem Durchfluss.

Bei dem hier vorgestellten Dampfkühler ist ein beweglicher, Kegel so eingebaut, dass er sich auf und ab bewegen kann. DerHubistdurcheinenmechanischenAnschlagbegrenzt.DiePosition,diederKegeleinnimmthängtvomDurchsatzdes Dampfes ab.

Ohne Durchsatz ruht der Kegel auf dem Sitz, der auch gleichzeitig die Ringdüse für das Kühlwasser darstellt. Beginnt nun Dampf zu strömen, so wird der Kegel vom Sitz weggedrückt, der Kegel öffnet und hierdurch ändert sich die Dü-sengeometrie im Sitz-/Kegelbereich. Die zunehmende Geschwindigkeit im Sitz-/Kegelbereich erzeugt einen Druckab-fall, wodurch Wasser in den überhitzten Dampfstrom gezogen und zerstäubt wird. Durch starke Turbulenzen werden die Wassertröpfchen mit dem überhitzten Dampf vermischt und erzeugen hiermit die kühlende Wirkung. Die Durchmi-schungistsehreffektivundfindetgrößtenteilsbereitsimDampfkühlerstatt.DasführtzueinersehrkurzenDurchmi-schungsstrecke.EinTemperaturfühlerkanninderRegelineinemAbstandvon4bis5Meterninstalliertwerden.

Austritt gekühlter Dampf

Kegel

Kühlwasser

Rückstellfeder

Hubbegrenzung

RingdüseSitz

Überhitzter Dampf

Bild 2.3.4 Einspritzkühler mit variabler Düse

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DieindieRingdüseeintretendeWassermengewirdmiteinemStellventilundeinenProzessregleraufgrunddervomFühlererfasstenTemperaturgeregelt.

DerKegelistmeistmiteinemStößelmitRückstellfederversehen,mitdemeineDämpfungeingestelltwerdenkann.HiermitkanndersichergebendeDifferenzdrucketwasbeeinflusstwerden.DerStößelführtbeikleinenDurchsätzenzu mehr Stabilität des Kegels.

Dadurch dass das Kühlmedium nicht mit feinen Düsen in den Dampfstrom eingespritzt wird, ist kein thermisches Schutz-rohrerforderlich.DieDurchmischungerfolgtzueinemgroßenTeilimDampfkühler.DerVerschleißistfolglichminimal.

InBild15.3.6isteintypischerAufbaugezeigt.Auchhiermöchtenwirnochmalsbetonen,dassnachjedemDampfkühlereine ungestörte Durchmischungsstrecke erforderlich ist.

KegelKegel

Kühl-wasser

überhitzter Dampf

Ringöffnungvöllig offeneRingöffnung

Sitz

Kein DurchsatzDer Kegel ruht auf dem Sitz.

Es strömt weder Dampf noch Kühlwasser.

Geringer DurchsatzDer Kegel wird etwas geöffnet.

Kühlwasser wird mit dem Dampfstrom gemischt.

Höherer DurchsatzDer Kegel wird vollständig geöffnet.

Kühlwasser wird mit dem Dampfstrom gemischt. Über den

gesamten Durchsatzbereich entstehen Druckabfall und starke Turbulenzen.

+

Temperatursensor

gekühlter Dampf

Rohrbogen mit großem Radius


überhitzter Dampf

Stellventil

Temperaturregler

Kühlwasser

Bild2.3.5WirkungsweiseeinesEinspritzkühlersmitvariablerDüse

Bild 2.3.6 Einspritzkühlers mit variabler Düse – typische Installation

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Vorteile:• Stellverhältnis ist ausgezeichnet; typisch: bis zu 100:1 kann erreicht werden• Das Stellverhältnis ist nur durch das Stellverhältnis des Kühlwasserventils begrenzt• Restüberhitzungbis+2,5KoberhalbderzugehörigenSattdampftemperaturerreichbar• Sehr kurze Durchmischungsstrecke• Der Kühlwasserdruck muss lediglich 0,4 bar über dem Dampfdruck liegen• Strömungsgeschwindigleit des überhitzten Dampfes kann gering sein• Schonend für die Rohrleitung

Nachteile:• Druckverlust erheblich höher als bei anderen Einpritzkühlern• Recht teuer• Dieser Dampfkühler muss senkrecht installiert werden, mit Strömungsrichtung von unten nach oben. Nach dem

DampfkühlersollteeinegeradeungestörteVerdampfungsstreckevorgesehenwerden;istdiesnichtmöglich,soisteinRohrbogenmitmöglichstgroßemRadiuszuwählen.

Typischer Einsatz:• Bei stark veränderlicher Dampfabnahme und wenn ein permanenter Druckabfall nicht kritisch ist• Wenn man den Druck sowieso reduzieren müsste• Wenn mit hoher Wahrscheinlichkeit geringe Dampfströmungsgeschwindigkeiten auftreten würden

Dampfkühlung mit einem Dampfumformventil

WenneineDampfkühlungundgleichzeitigaucheineDruckreduzierungerforderlichist,kannmandiesebeidenAnfor-derungenineineArmaturintegrieren,indassogenannteDampfumformventil.InderRegelhateinDampfumformventileinenLochkegelfürdieDruckminderung.ImBereichdesVentilsitzeserfolgtdieKühlwassereinspritzung.

InPrinziphandeltessichhierumeinmodifiziertesStell-ventil für eine Druckminderung. In denmeisten Fällenwerden Stellventile in Durchgangsform oder in Eckform hierfürbevorzugt.DieVentilspindelwirdgernemitmehr-facher Kegelführung ausgeführt. Ventile für Dampfküh-lungen werden oft für große Durchsatzmengen, unddamitfürgroßeNennweiteneingesetzt.Umdienotwen-digen Stellkräfte zu minimieren werden deshalb gerne entlastetenVentileeingesetzt;teilsmitentlasteterKegel-konstruktionen,teilsmiteinerFaltenbalgentlastung.BeidieserArtvonVentilenisteinegenaueDruckminde-rung sehr wichtig. Oft werden dafür universelle, schnel-le pneumatische Stellantriebe mit entsprechenden Stel-lungsreglern und Zubehör eingesetzt. Je nach Höhe des zu überwindenden Druckgefälles werden auch spezielle geräuschmindernde Labyrinthsitze zum Druckabbau an-geboten (siehe Bild 2.3.8)

Kühlwasser

überhitzterDampf

Mischkammer

Lochkegel

Ventilspindel

gekühlter DampfBild2.3.8Ventilmitspezieller

geräuschmindernder InnengarniturBild 2.3.7 Dampfumformventil mit Einspritzung

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Die Einspritzung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Oft werden ringförmig angeordnete Düsen verwendet, weil siesichkonstruktivgutmiteinemDruckreduzierventilkombinierenlassen.BeidieserArtderDampfkühlungmischtsichdas Kühlwasser mit dem Dampfstrom sehr effektiv, weil im Sitzbereich sehr hohe Geschwindigkeiten und viele Turbu-lenzen auftreten.Oft werden nach Dampfumformventilen eine oder mehrere Lochblenden eingesetzt. Zum einen verursachen sie einen Druckabfall und zum anderen verbessern sie die Durchmischung des eingespritzten Kühlwassers mit dem Dampfstrom. DieersteLochblendeistineinigenFällenbereitsindenAustrittdesDampfumformventilsintegriert(sieheBild2.3.8).DampfumformventilewerdensehrhäufigalsTurbinen-Bypass-Ventileeingesetzt,wosowohleineDruckminderung,alsauch eine Dampfkühlung erforderlich ist.

Übersicht und Vergleich der Eigenschaften von Dampfkühlern

In Tabelle 2.3.1 werden die verschiedenen Eigenschaften der unterschiedlichen Typen von Dampfkühlern in einer Übersicht dargestellt. Wir möchten explizit darauf hinweisen, dass es sich hier um allgemeine Erfahrungswerte handelt. Oft beschreiben wir hier Dampfkühler in einer Grundausführung. Bei einigen Herstellern können die erzielbaren Werte aufgrund besonderer konstruktiver Merkmale abweichen.

Tabelle 2.3.1

Typ Durchsatz-Stellverhältnis

Restüberhitzungbis +2,5 K

oberhalb Ts(°C)

minimaler Kühlwasser-

druck*(bar)

Geschwindigkeit bei minimalem

Durchsatz(m/s)

Pipeline-Größen(mm)

Min. Max.

Dampfkühler in U-Form

abhängig von Güte Kühl-

wasserventil**5,0

höher als zu kühlender

Dampfdruck- - -

Wasserbadkühlerabhängig von

Güte Kühl-wasserventil**

0höher als zu kühlender

Dampfdruck- - -

Dampfkühler mit Ring(mehrfach-)

düse3:1 10,0 1,0 6,0 20 600

Dampfkühler mit einer Festdüse 3:1 10,0 0,5 6,0 50 1200

Dampfkühler mit Mehrfachdüsen

(feste Düsenfläche)8:1 8,0 4,0 6,0 150 1500

Dampfkühler mit Mehrfachdüsen (federbelastet)

9:1 8,0 15,5 9,0 150 600

Dampfkühler mit Mehrfachdüsen (va-riable Düsenfläche)

12:1 8,0 3,5 9,0 150 1500

Venturi-Dampfkühler 5:1 3,0 1,0 6,0 50 1270

Treibdampfkühler 50:1 6,0höher als zu kühlender

Dampfdruck1,5 100 1500


abhängig von Güte Kühl-

wasserventil**2,5 0,4 3,0 80 800

*minimaler typischer Kühlwasserdruck höher als zu kühlender Dampfdruck ** Regelbereich sehr hoch

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Fragebogen

1. Was ist die Hauptaufgabe der Venturi-Düse im Venturi-Dampfkühler? a. hohe Geschwindigkeit und starke Turbulenzen zu erzeugen b. den Druck des zu kühlenden Dampfes zu erhöhen c. die Dampfausdehnung nach dem Einspritzen zu begrenzen d. den erforderlichen Druck des Kühlwassers zu reduzieren

2. Wie unterscheidet sich das Kühlwassersystem beim Venturi-Kühler von dem des Dampfkühlers mit Zerstäuberdüse?

a.KühlwasserwirdbeimVenturi-KühlerdirektindenHauptstromdeszukühlendenDampfesgespritzt b.derVenturi-KühlerbenutzteineexterneDampfversorgung,umdasKühlwasserzuzerstäuben c. der Dampfkühler mit Zerstäuberdüse benutzt eine externe Dampfversorgung, um das Kühlwasser zu zerstäuben d. der Dampfkühler mit Zerstäuberdüse benutzt überhitzten Dampf, um das Kühlwasser zu zerstäuben

3. Im Vergleich zu den meisten Dampfkühlern, was ist der Hauptnachteil eines Dampfkühlers mit Verstelldüse?

a. sehr geringes Durchsatz-Stellverhältnis b. Kühlwasser mir relativ hohem Druck wird benötigt c. Restüberhitzung kommt nahe an die zugehörige Sattdampftemperatur d.allezuvorbeschriebenenPunkte

4. Was ist die Hauptfunktion des federbelasteten Kegels im Dampfkühler mit Verstelldüse? a. die Menge des zugeführten Kühlwassers durchsatzabhängig zu ändern b. die Stabilität bei hoher Last zu verbessern c. den Hub des Kegels zu begrenzen d. Turbulenzen zu verursachen

5. Was sind die Vorteile eines Dampfkühlers mit Zerstäuberdüse? a. gutes Durchsatz-Stellverhältnis b. kurze Durchmischungsstrecke c. das Kühlwasser kann auch kühl verwendet werden d.allezuvorbeschriebenenPunkte

6. Warum werden Dampfumformventile normalerweise mit einem Lochkegel ausgeführt? a. um Turbulenzen und Geschwindigkeit des überhitzten Dampfes zu erhöhen b. um die Durchmischung von Kühlwasser und Dampf zu begünstigen c.weilDruckgefälleüberdasVentilmeisthochsind d.keinerdervorgenanntenPunkte

Antworten:

1:a,2:c,3:b,4:a,5:d,6:c

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2.4−Typische Installationen der Dampfkühlung

Kapitel 2.4: Typische Installationen der Dampfkühlung

Aufbau einer Dampfkühlanlage

UmeineDampfkühlungaufzubauen,müsseneinigewichtigePunktebeachtetwerden:• Die Eigenschaften des Kühlwassers• Die Einbaulage des eigentlichen Dampfkühlers• Das erforderliche Zubehör• Die Regelventile für Kühlwasser und Dampf und die zugehörige Regeltechnik

Eine schematische Darstellung einer Einspritzdampfkühlung ist in Bild 2.4.1 dargestellt.

Die Eigenschaften des KühlwassersTemperatur–EineDampfkühlungerfolgtbesonderseffektiv,wenndasKühlwasserheißist,besonderswennseineTemperatur so nah wie möglich an der Sattdampftemperatur ist. Es kann aber auch kühleres Kühlwasser verwendet werden.DieVerwendungvonheißemWasserhatfolgendeVorteile:• Es minimiert die Zeitdauer, in der das Wasser in der Dampfströmung transportiert werden muss• Es verdampft schneller• EsminimiertdenAnteilWasser,derwiederausfallenkann

DieVerwendungvonheißemWasserhataberauchfolgendeNachteile:• Es kühlt weniger gut, es muss also mehr Wasser für die Kühlung aufgewendet werden• Es kann eine aufwendige Erwärmung des Kühlwassers erforderlich machenImallgemeinenüberwiegendieVorteilederVerwendungvonheißemWasser.Esempfiehltsich,dieKühlwasserzulei-tung mit einer Wärmedämmung zu versehen. Zum einen um möglichst wenig Wärmeverlust zu erleiden, zum anderen natürlichumdieVerletzungsgefahrfürMenschenzuminimieren.

Qualität –DieQualitätdeseinzuspritzendenWassersistwichtig.DieMengederenthaltenenSalzesolltesogeringwiemöglich sein, weil sie sich somit an unerwünschten Stellen ablagern werden:

Prozessregler für Druckregelung

Stellventil zur Druckreduzierung

überhitzterDampf

Kühlwasser

Stellventil für Kühlwasser

Rückschlagventil

Prozessregler fürTemperaturregelung

Dampfkühler

Sicherheitsventil

Bild2.4.1AufbaueinerEinspritzdampfkühlung–schematischeDarstellung

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• Im Kühlwasserventil• In den feinen Kühlwasserdüsen• AufderInnenseitederRohrwandungnachderEinspritzstelle

Zusätzlich ist es sinnvoll, Wasser zu verwenden, das möglichst wenig Sauerstoff oder Kohlendioxid enthält, um Kor-rosionindennachgeschaltetenRohrleitungenzuvermeidenoderminimieren.OftwirdalsKühlwasserdaherheißesKondensat oder Wasser aus der druckbeaufschlagten thermischen Entgasung verwendet (Kesselspeisewasser).

Druck und Durchsatz – Wie in Kapitel 2.2 beschrieben, bestimmt der Druck des Kühlwassers zusammen mit der freienFlächederDüse(n)denWasserdurchsatzimDampfkühler.InTabelle2.3.1sindfürjedeArtDampfkühlerdiety-pischen Druckwerte aufgeführt, die das Kühlwasser über dem Druck des zu kühlenden Dampfes haben muss, damit dasSystemgemäßSpezifikationarbeitet.Wirweisendaraufhin,dassdieseSystemejenachHerstellerverschiedeneWerte haben können. Es ist stets die zugehörige Literatur des Lieferanten der Dampfkühlung zu Rate zu ziehen.

Regelventil Kühlwasser – am Regelventil für die Kühlwassermenge wird zwangsläufig ein Druckabfall entstehen. Es istbeiderAuslegungdaraufzuachten,dasskeineKavitationimVentilentsteht,wennsehrheißesWasserverwendetwird.Esempfiehltsich,einVentilmiteinergleichprozentigenKennliniezuverwenden.

Kühlwasser – Das Kühlwasser wird oft an den unten aufgeführten Stellen entnommen. Sofern der an der Kühlwasse-rentnahmestelle vorliegende Druck für die ausgewählte Dampfkühlung nicht ausreichend ist, muss mit einer Drucker-höhungspumpe der gewünschte Kühlwasserdruck erzeugt werden.Typische Entnahmestellen:• NachderKesselspeisewasserpumpe(zwischenPumpeundKessel),soferndiesepermanentläuft• Umkehrosmose oder Entsalzung• Entgaser• Kondensat / Kondensatrückspeiseanlage• WasseraufbereitungVomEinsatzvonunbehandeltemRohwasserwirdabgeraten,daesinderRegelzuvieleSalzeundSauerstoffenthält.

Dampfkühler – Aufbau einer EinspritzkühlungDie Gesamtlänge einer Einspritzdampfkühlstrecke kann je nach Typ, Menge und Betriebsdaten sehr unterschiedlich sein.SeltenwirdmanjedochSystememiteinerBaulänge,diegeringerals7,5mist,finden.DasDurchmischenisteinphysikalischerVorgangundbenötigtZeit.DerzukühlendeDampfmussgeradeundschnellströmenkönnen.Die meisten Einspritzdampfkühler können in jede beliebige Richtung, also waagrecht oder senkrecht installiert wer-den.AusgenommensindhiervonKühlermitVerstelldüse(essindstetsdieHerstellervorschriftenzubeachten).WennEinspritzdampfkühlerinsenkrechteRohrleitungeninstalliertwerdensollen,dannistdieAnströmungvonuntennachobenzuwählen,weildadurchdieDurchmischungeffektivererfolgt.InderPraxisfindetmanausPlatzgründenwenigesenkrecht installierte Dampfkühler.

Druckregelung für den überhitzten DampfDampfkühler können prinzipiell mit veränderlichen Drücken arbeiten. Die Regelung ist jedoch einfacher, wenn der Druck konstant ist. Es werden bei konstantem Druck auch bessere Ergebnisse erzielt.

Die einzuspritzende Kühlwassermenge wird über ein Stellventil im Wasserzulauf geregelt. Es handelt sich hierbei um eine Temperaturregelung. Wenn der Dampfdruck sich ändert, muss man den Sollwert der Temperaturregelug auch entsprechend ändern. Wenn sich also z. B. der Dampfdruck erhöht, erhöht sich die zugehörige Sattdampftemperatur. Der Sollwert der Temperaturregelung wird stets ein paar Grad über der Sattdampftemperatur eingestellt. Man möchte hiermit vermeiden, dass zuviel unnötig eingespritztes Wasser in die Dampfrohrleitung kommt.

Der Drucksensor für die Druckregelung der Dampfkühlung sollte tendenziell in der Nähe des Dampfverbrauchsortes installiert werden. Es ist gleichzeitig zu beachten, dass der Einbauort des Drucksensors einen repräsentativen Wert liefert und die Totzeit nicht zu lang wird. Beides würde die Regelung negativ beeinflussen.

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Temperaturfühler / EinbaulageFürdiezufriedenstellendeFunktionderAnlageistdieAuswahlderEinbaupositiondesTemperaturfühlersvonwesent-licherBedeutung.InsbesonderemussderminimaleAbstandzwischenderEinspritzstelleunddemTemperatursensoreingehalten werden.• WennderAbstandzwischendemTemperatursensorundderEinspritzstellezukleingewähltwird,sokannessein,

dass die Durchmischung des eingespritzen Wassers mit dem Dampfstrom noch nicht abgeschlossen ist und der Temperatursensor so einen falschen Wert ermittelt.

• WennderTemperatursensorzuweitweginstalliertwird,verlängertsichdieAnlageunnötig.ZudemwirddieTotzeitdesSystemslänger,waswiederumdieRegelbarkeitderAnlagenegativbeeinflussenkann.

DerminimaleAbstandzwischendemTemperatursensorundderEinspritzstellehängtvonderArtdesDampfkühlersundvomHerstellerab.InderRegelwirdinderLiteraturderminimaleAbstanddesTemperaturfühlersinAbhängigkeitder Temperaturdifferenz zwischen der erwünschten Dampfaustrittstemperatur und der Dampfeintrittstemperatur oder der Kühlwassertemperatur angegeben. In Bild 2.4.2 ist ein solches Diagramm abgebildet.

Wasserabscheider / Dampftrockner / KondensatableitungNach der Einspritzkühlung muss unbedingt eine wirksame Wasserabscheidung installiert werden. Um sicherzustellen, dass sich zu keinem Zeitpunkt Wasser ansammelt, empfehlen wir, die Dampfleitung in diesem Bereich mit etwas mehr Gefällealssonstzuverlegen,undzwarmitca.20mmproMeterfallendinDurchflussrichtung.AnschließendwirdeinDampftrockner zur Wasserabscheidung vorgesehen.

Der am Trockner eingesetzte Kondensatableiter sollte gute Entlüftungseigenschaften haben. Weiterhin ist wichtig, dass die Kondensatleitung ausreichend dimensioniert ist. Es können erhebliche Mengen Kondensat bzw. Wasser

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

00 50 100 150 200 250

125 100 75 50 25 0Unterschied zwischen Dampfeintritts- und Dampfaustrittstemperatur (°C)

Einspritzkühler mit 1 axialen Düse

Kühler mitVerstelldüse

Unterschied zwischen Kühlwasser- und Dampfaustrittstemperatur (°C)

Abs

tand

Ein

sprit

zste

lle z

um T

empe

ratu

rsen

sor (

m)

Bild 2.4.2 Einbaulage Temperatursensor

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auftreten.AufgrundderTemperaturenistmitNachdampfbildungzurechnen.DieKondensatleitungistsozuverlegen,dassdasKondensatgutabfließenkann.DerausgewählteKondesatableitermussfürEinsatzmitüberhitztemDampfgeeignet sein.

DerDampftrocknermitderKondensatableitunghatauchdieFunktion,daseingespritzteWasserauszuscheiden,fallsaus irgendeinem Grund die Dampfkühlungsregelung versagt.

AbsperrventileDamitWartungengefahrlosdurchgeführtwerdenkönnen,sindstromaufwärtsAbsperrventilevorzusehen.• vor dem Druckreduzierventil für den überhitzten Dampf (sofern vorgesehen)• vor dem Dampfkühler• in der Kühlwasserzuleitung / vor dem KühlwasserregelventilEsempfiehltsich,dieseAbsperrventilezwar inderNähe,abernichtnäheralszehnNennweitenvorderabzusper-rendenArmaturzuinstallieren.BeiderVerwendungvonBypass-Leitungenempfiehltessichauch,Absperrarmaturenstromwärts zu verwenden.

SicherheitsventilEinSicherheitsventilkannerforderlichsein,wennzuvoreineDruckreduzierungerfolgtist,umnachfolgendeAnlagen-teile oder Maschinen vor unzulässig hohem Druck zu schützen. In der Regel wird das Sicherheitsventil zusammen mit demDruckreduzierventilausgelegtundauchräumlichinderNäheinstalliert.BeiderVerlegungderAbblaseleitungenistdaraufzuachten,dasssieüberhitztenDampfableitenkönntenunddabeisehrheißwerden.

Druck und Temperatur / NenndruckstufenBeimAufbaueinerAnlage,diemitüberhitztemDampfbetriebenwird, istdaraufzuachten,dassalleKomponentenmindestens für die möglichen auftretenden Temperaturen und Drücke geeignet sind.

Stellventile und RegeltechnikDieAuswahlderStellventileundStellgliedermusssorgfältigerfolgen.Manmussdaraufachten,dassdieStellglliederein höheres Stellverhältnis als die Dampfkühlung haben, ansonsten werden sie in den Leistungsdaten begrenzt (siehe auch Kapitel 2.2).

Bild 2.4.3 Nenndruckstufen – Temperatur / Druck-Diagramm (ungefähre Einsatzgrenzen)

0100

120

Tem

pera

tur (

°C)

Druck (bar ü)

16

PN16 PN25 PN40

25 40

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Auswahl Dampfkühler

BeiderAuswahleinesDampfkühlersempfehlenwirfolgendePunktezubeachten:

Regelbereich / Stellverhältnis – Dies ist wahrscheinlich der wichtigste Wert, über den man sich Gedanken ma-chen muss. Die verschiedenen Typen von Dampfkühlern unterscheiden sich recht stark in den möglichen Regel- und Leistungsbereichen, in denen der Dampf effektiv gekühlt werden kann.DieDampfkühlungsolltesoausgewähltwerden,dassmaneinengenügendgroßenRegelbereichhat,umdenzuer-wartendenDampfstromkühlenzukönnen.DerRegelbereichsollteaberauchnichtgrößeralserforderlichgewähltwerden, denn es würde das System meist unnötig verteuern und die Regelgüte könnte darunter leiden. Hinzu kommt, dassdiemeistenEinspritzkühlerimoberenAuslegungsbereichbesserarbeitenalsimunterenRegelbereich.Kritischzubewertenistesstets,eineDampfkühlungimHinblickaufeinezukünftige,spätereAnlagenerweiterungzuplanenund sie zunächst im unteren Regelbereich fahren zu wollen.

Erzielbare Dampfaustrittstemperatur – Die verschiedenen Typen von Einspritz-Dampfkühlern können den Dampf auf eine Temperatur, die mehrere Grad über der Sattdampftemperatur Ts liegt, kühlen. Wird echter Sattdampf gebraucht, somusseinWasserbadkühlerverwendetwerden.MitEinspritzdampfkühlernkommtman,z.BmitVenturi-KühlernoderVerstelldüsenkühlern,bestenfalls5KandieSattdampftemperaturTs heran (siehe hierzu auch Tabelle 2.3.1).

ManmusssichbeiderAuswahlderDampfkühlungGedankenmachen,welcheRestüberhitzungfürdienachgeschal-tetenAnlagenteile/Maschinen/Prozessemaximalzulässigist.

Man sollte die zulässige Restüberhitzung aus folgenden Gründen so hoch wie möglich sein lassen:

1. Kosten – Wie dicht man mit der Dampfaustrittstemperatur an die zugehörige Sattdampftemperatur kommen kann, hängt hauptsächlich von der Bauart der Dampfkühlung ab. Je näher man an die Sattdampftemperatur kommen möchte, desto teurer wird meist die Dampfkühlung.

2. Regelbarkeit–DieLagedesTemperaturfühlersistwesentlichfüreineguteFunktionderDampfkühlung.DiePro-blematik ist eine für die Dampfkühlung repräsentative Temperaturmessstelle zu finden. Bei verschiedenenAb-ständen zur Einspritzstelle ist der Durchmischungsgrad des eingespritzten Wassers mit dem überhitzten Dampf unterschiedlichunddieTemperaturmessungwirdeinunterschiedlichesResultatzeigen.PrinzipiellhabenwirzweigegenläufigeEffekte.EinerseitswirddieTemperaturmessungrepräsentativer,wennderAbstandzurEinspritzstellegrößerwird,andererseitserhöhtsichdabeidieTotzeit,wasdieRegelungwiederumverschlechtert.

3. Verdampfung – Je näher man an die Sattdampftemperatur Tskommt,destoschwierigerwirddieVerdampfungvonkleinenTröpfchen,weilderzurVerdampfungverfügbareundnotwendigeTemperaturunterschiedzukleinwird.

4. Durchmischung / ausfallendes Kühlwasser – Um zu vermeiden, dass Tröpfchen von Kühlwasser ausfallen, die annähernd Sattdampftemperatur Ts haben, ist es erforderlich, die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Die hier-durch erzeugten Turbulenzen verbessern die Durchmischung und die Wasseraufnahme des Dampfes.

Kühlwasser; Verfügbarkeit und Druck–DieAuswahldesDampfkühlershängtauchvonderVerfügbarkeitunddemDruck des Kühlwassers ab. Es ist immer ein Kostenvorteil, wenn bereits vorhandenes Wasser als Einspritzkühlwasser genutzt werden kann, zum Beispiel aus einer Kondensatleitung oder aus der Kesselspeisewasserdruckleitung. Wenn der vorliegende Wasserdruck nicht ausreicht, muss eine Druckerhöhung verwendet werden.

Zerstäuberdampf–ObeinTreibdampfkühlermitZerstäuberdüseeingesetztwerdenkann,hängtvonderVerfügbar-keit von Dampf mit erforderlich hohem Druck ab. Es ist stets günstiger, wenn bereits vorhandener Dampf zur Kühlwas-serzerstäubunggenutztwerdenkann.AusdiesemGrundkombiniertmangerneDruckreduzierungenmitTreibdampf-kühlern. Hierbei kann man den benötigten Dampf mit höherem Druck vor der Druckreduzierung entnehmen.

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EintypischesAuswahldiagrammistinBild2.4.4abgebildet.EsbasiertaufdeninTabelle2.3.1aufgeführtenLeistungs-daten. Bitte beachten Sie, dass unterschiedliche Dampfkühler aufgrund konstruktiver Details oder entsprechender Be-schaltungabweichendeLeistungsdatenhaben.VerwendenSieimmerdieLiteraturderHerstellungdiezudeneinzel-nen Dampfkühlern gehört.

Ja Ja Ja

No

Ja Ja Ja

Ja Ja Ja

Ja Ja Ja

JaJaJa

Ja Ja

Nein

Ja

Nein Nein Ja

NeinNeinNeinNein

Nein Nein Nein Nein

NeinNeinNeinNein

Nein Nein Nein Nein

Massenregel-bereich < 3:1





Massenregel-bereich > 50:1

Dampfaustritts-temperatur

> Ts* + 10 °C

Dampfaustritts-temperatur > Ts + 3 °C




Dampfaustritts-temperatur

> Ts + 2,5 °C

Kühlwasserdruck> 0,5 bar **

Kühlwasserdruck **> 1 bar

Kühlwasserdruck **> 4 bar

Kühlwasserdruck **> 3,5 bar

Kühlwasserdruck **> Dampfdruck

Kühlwasserdruck **> 0,4 bar

Einspritzkühlermit einer Düse

Venturi-Dampfkühler

Mehrdüsen-Dampfkühler

(feste Düsenfläche)

Mehrdüsen-Dampfkühler

(variable Düsenfläche)

Treibdampf-kühler

Dampfkühler mitVerstelldüse

Dampf verfügbarmit > 4 bar

*Ts = Sattdampftemperatur ** = Kühlwasserdruck oberhalb des Druckes des überhitzten Dampfes

Bild2.4.4.AuswahltabelleDampfkühler

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Typische Anwendungen

ÜberhitzerDampfwirdinvielenBereichenerzeugt.BesondersgeeignetisterzurVerrichtungvonmechanischerArbeitundzurDampfverteilung.InvielenProzessenindenmeistenIndustrien,derChemie,Nahrungs-undGetränkeindu-strieundderPapierindustriewirdaberoftSattdampfverlangt.WennnunDampfauseinerTurbineausgekoppeltwird,ist er in der Regel überhitzt und muss auf den notwendigen Druck und die erforderliche Temperatur abgesenkt werden, damiterindennachfolgendenAnlagenteilen/Prozessenbenutztwerdenkann.

Tabelle2.4.1zeigtAnwendungenauf,fürdieSattdampferforderlichistundfürdieDampfkühlereingesetztwerden.

Tabelle 2.4.1 Anwendung für Dampfkühler in der ProzessindustrieIndustrie AnwendungPapier und Pappe Papiertrocknungsmaschinen

Lebensmittel DampfgarerVerdampfer

Textil Stoffveredlungsautoklaven

TabakTabaktrocknungmantelbeheizte ReaktorenDestillierapparaturen

Chemie und Pharma

MethanolanlagenSchwefelanlagen PolymerisationchemischeAnlagenHeizungenfürVakuumdestillationGlykol- und EthylenanlagenAromenherstellung

Öl- und Petrochemie

Vinylchloridherstellungthermische und katalytische KolonnenheizungenHeizungenfürVakuumdestillationPolymerisationSchwefelanlagenEntsalzungsanlagenIsomerisation

Raffinerienthermische und katalytische KolonnenheizungenHeizungenfürVakuumdestillationSchwefelanlagen

Brauereien und Destillen Dampfheizung

Dampfkessel- und Turbinenanlagen EnergieerzeugungWerften

Pharma, Medizintechnik Sterilisation

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Fragebogen

1. Gegeben sind folgende Aussagen über eine Einspritz-Dampfkühlung, bei der heißes statt kaltes Wasser als Kühlmedium verwendet wird:

i) Wassertröpfchen sind weniger lang im Dampfstrom. ii) Die Innenwandung der Rohrleitung wird weniger durch auftreffendes Wasser beschädigt. iii) Die Durchmischungsstrecke ist kürzer, weil das Wasser schneller verdampfen kann.

Welche dieser Aussagen sind richtig? a. nur i) c. i) und ii) b. nur ii) d. alle drei

2. Warum ist Leitungswasser ungeeignet zur Verwendung als Kühlwasser für eine Dampfkühlung? a. Weil der verfügbare Wasserdruck oft zu tief wäre. b. Weil es circa Raumtemperatur hat. c. Weil es meist viele Salze enthält, die ausfallen können. d.AllezuvoraufgeführtenPunkte.

3. Gegeben sind folgende Gründe, warum Einspritz-Dampfkühler die Temperatur des gekühlten Dampfes nicht bis auf die Sattdampftemperatur des zugehörigen Dampfdruckes kühlen können:

i) Die immer kleiner werdende Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmedium und dem Dampf erschwert dies.

ii) Ein nicht erreichbarer, zu tief eingestellter Temperatursollwert würde dazu führen, dass die Einspritzung zu viel Kühlwasser einspritzen würde.

iii) Es hat keinen Vorteil echten Sattdampf zu erzeugen.

Was ist richtig? a. nur i) c. i.) und ii.) b. nur ii) d. alle drei Gründe

4. Warum ist es wichtig, bei einer Einspritz-Dampfkühlung den Arbeitsbereich (Durchsatz) nicht größer als erforderlich anzugeben?

a. Es würde die Kosten des Dampfkühlanlage unnötig erhöhen. b. Es würde das Risiko erhöhen, die Rohrleitung nach der Einspritzstelle zu fluten. c. Es würde den Kühlwasserbedarf erhöhen. d.DieAussageistfalsch.MansolltedenArbeitsbereichstetsvielgrößerangebenalserforderlich.

5. Welche Einspritz-Dampfkühler würde man für eine Anwendung in der Zuckerindustrie mit Hilfe des Diagramms 2.4.4 bei folgenden Randbedingungen auswählen?

Sattdampf verfügbar: 10 bar ü; Kühlwasser verfügbar: 14 bar ü; Maximaler Dampfdurchsatz: 16000 kg/h; Minimaler Dampfdurchsatz: 2000 kg/h; Endtemperatur: Ts + 7 °C a. Einspritzung mit radialer Düse b. Einspritzung mit axialer Mehrfachdüse c. Einspritzung mit Dampfzerstäuberdüse d. Einspritzung mit veränderlicher Düse

6. Welche der folgenden Informationen müssen bekannt sein, um eine Auslegung einer Dampfkühlung zu ermöglichen?

a.Arbeitsbereich(Durchsatz) b. erforderliche Endtemperatur (Temperatur oberhalb Ts) c.Kühlwasser(VerfügbarkeitundDruck) d.alleobenaufgeführtenPunkte

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Antworten:

1:d,2:d,3:c,4:a,5:c,6:d

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