Walter Wagner

Wasser und Wasserdampf im Anlagenbau

Kamprath-Reihe

Dipl.-Ing. Walter Wagner

Wasser und Wasserdampfim Anlagenbau

2., korrigierte und erweiterte Auflage

Vogel Buchverlag

Dipl.-Ing. WALTER WAGNER

Jahrgang 1941, absolvierte nach einer Lehre alsTechnischer Zeichner ein Maschinenbaustudiumund war 1964 bis 1968 Anlagenplaner im Atom-reaktorbau; nach einer Ausbildung zum Schweiß-Fachingenieur war er ab 1968 Technischer Leiter imApparatebau, Kesselbau und in der Wärmetechnik.1974 bis 1997 bekam Walter Wagner einen Lehrauf-trag an der Fachhochschule Heilbronn, von 1982 bis1984 zusätzlich an der Fachhochschule Mannheimund von 1987 bis 1989 an der Berufsakademie Mos-bach. Im Zeitraum 1988 bis 1995 war er Geschäfts-führer der Hoch-Temperatur-Technik VertriebsbüroSüd GmbH. Seit 1992 ist er Leiter der Beratung undSeminare für Anlagentechnik: WTS Wagner-Tech-nik-Service. Walter Wagner ist außerdem Obmannverschiedener DIN-Normen und öffentlich bestell-ter und vereidigter Sachverständiger für Wärme-trägertechnik, Thermischer Apparatebau und Rohr-leitungstechnik.

ISBN 978-3-8343-3194-62. Auflage. 2011Alle Rechte, auch der Übersetzung, vorbehalten.Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form(Druck, Fotokopie, Mikrofilm oder einem anderenVerfahren) ohne schriftliche Genehmigung desVerlages reproduziert oder unter Verwendungelektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigtoder verbreitet werden. Hiervon sind die in §§ 53,54 UrhG ausdrücklich genannten Ausnahmefällenicht berührt.Printed in GermanyCopyright 2003 by Vogel Business MediaGmbH & Co. KG, Würzburg

Dipl.-Ing. WALTER WAGNER ist Autorfolgender Vogel Fachbücher der Kamprath-Reihe:

Festigkeitsberechnungen imApparate- und RohrleitungsbauKreiselpumpen und KreiselpumpenanlagenLufttechnische AnlagenPlanung im AnlagenbauRegel- und SicherheitsarmaturenRohrleitungstechnikStrömung und DruckverlustWärmeaustauscherWärmeträgertechnikWärmeübertragungWasser und Wasserdampf im AnlagenbauDIETZEL/WAGNER: Technische WärmelehreHEMMING/WAGNER: Verfahrenstechnik

Weitere Informationen:www.vogel-buchverlag.de

Wasser und Wasserdampf sind die gebräuchlichsten Energieträger im Anlagenbau. Obwohl dieAnwendung dieses Fluids seit Jahrhunderten bekannt ist, stellen sich, was Auslegung und Kon-struktion dieser Anlagen betrifft, immer wieder Fragen. Bedingt durch die im Laufe der Zeit teil-weise Verschlechterung des Rohwassers und die oft ohne Reserven ausgelegten Energiesysteme,wird der Einfluss der Dampfreinheit, der nicht kondensierbaren Gasanteile (Inertgase) sowie dieeffektive Kondensatableitung für die Funktionsfähigkeit der Systeme immer wichtiger. Zusätz-lich spielt die Korrosion in Verbindung mit den Konstruktionswerkstoffen eine wichtige Rolle.Wie man Probleme im Anlagenbau diesbezüglich lösen kann, wird hier anschaulich beschrieben.

In Firmenschriften aus diesem Bereich werden Einzelprobleme und Lösungen oftmals sehranschaulich dargestellt. Insbesondere die Unterlagen der Firmen GESTRA, Sarco, Armstrongund Berkeley-Filter sind für den praktischen Gebrauch zu empfehlen. Meistens wird dabei je-doch nur der Bereich behandelt, den das Lieferprogramm der Firmen abdeckt. Aus solchenUnterlagen teilweise verwendete Informationen wurden nur im Hinblick auf den Gesamtan-wendungsbereich übernommen.

Entscheidend bei der Auslegung und Konstruktion sind die physikalischen Gesetzmäßig-keiten. Insbesondere der «feste» Zusammenhang von Temperatur und Dampfdruck des Wassersist oftmals der «Schlüssel» zur Auslegung bzw. zur Beurteilung eines Wasserdampf- und Kon-densatnetzes.

Mit den Informationen aus dem Buch können Studenten an Universitäten und Fachhoch-schulen der Fachrichtungen Heizungstechnik, Verfahrenstechnik, Versorgungstechnik, Kraft-werkstechnik, Umwelttechnik und Maschinenbau technische Zusammenhänge besser verstehenund entsprechende Aufgaben leichter lösen. Projektierungs-, Konstruktions- und Betriebs-ingenieure sowie Techniker, die im Beruf mit der Planung, Auslegung und Beurteilung vonWasser- und Wasserdampfsystemen im betrieblichen Einsatz zu tun haben, erhalten viele wich-tige Hinweise aus der Praxis für die Praxis. Aussagekräftige Tabellen, Diagramme und Zeich-nungen vermitteln dem Praktiker genaue Vorstellungen von Abläufen. Stoffdaten, Berechnun-gen, und Zustandsbeschreibungen unterstützen Planung, Auslegung und Konstruktion.

Resonanz aus Leserkreisen ist mir stets willkommen (E-Mail: wagner@wts-online.de). DemVogel Buchverlag danke ich für die gewohnt hervorragende Zusammenarbeit.

St. Leon-Rot Walter Wagner

Vorwort

Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1 Rohwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 Anwendungsgrenzen von Rohwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1 Ablagerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.1 Kalkablagerungen (Steinbildung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2 Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.1 Gleichmäßige Flächenkorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.2 Ungleichmäßige Flächenkorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.3 Korrosion an Wandungen von freien Wasseroberflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.4 Korrosion bei einmaliger Wasserfüllung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 Gasbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 Wasseraufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.1 Begriffe zur Beurteilung von Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.1.1 Allgemeine Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.1.2 pH-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.1.3 Härte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.1.4 Kohlensäure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.1.5 Säure- und Basekapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.1.6 Elektrische Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.1.7 Wasseranalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.1.7.1 Beurteilung einzelner Analysenwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2 Aufbereitungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2.1 Ionenaustauscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.2 Umkehrosmose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2.3 Entgasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2.4 Absalzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3 Grenzwerte für die Wasserbeschaffenheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.3.1 Kühlwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.3.2 Wasser für Kesselanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4 Stoffwerte von Wasser und Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.1 Siedeverlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.2 Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.3 Wahre spezifische Wärmekapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.4 Wärmeleitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.5 Dynamische Viskosität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.6 Enthalpie-Diagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.7 Entropie-Diagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.8 Wasser- und Wasserdampftabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5 Strömung und Wärmeübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.1 Strömungsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.2 Strömungskennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.3 Druckverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.4 Wärmeübergangskoeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.4.1 Durchströmte Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.4.2 Quer angeströmte Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.4.3 Naturkonvektion an Platten und Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Inhaltsverzeichnis

8 Inhaltsverzeichnis

5.4.4 Verdampfung von Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.4.5 Kondensation von Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6 Wasseranlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656.1 Wasseranlagen unter 0°C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.1.1 Wasser-Salz-Lösungen (Solen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656.1.2 Wasser-Glykol-Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

6.2 Kühlwasseranlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696.3 Warmwasseranlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776.4 Heißwasseranlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

7 Wasserdampfanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 817.1 Erzeugung von Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7.1.1 Rauchrohrkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 837.1.2 Wasserrohrkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 837.1.3 Naturumlaufkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 837.1.4 Zwangumlaufkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 857.1.5 Zwangdurchlaufkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 857.1.6 Indirekt beheizte Dampferzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 857.1.7 Ausdampftrommel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

7.2 Dampfspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 867.3 Dampftrockner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 897.4 Dampfleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

7.4.1 Wärmeverlustberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 907.4.2 Temperaturabfall im Rohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 917.4.3 Kondensatanfall im Rohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 927.4.4 Kondensatvermeidung während des Betriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

7.5 Drosselung von Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 977.6 Dampfkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1007.7 Inertgase im Dampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

8 Kondensatsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1038.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1038.2 Ableitsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

8.2.1 Kondensatabführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1068.3 Kondensatableiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

8.3.1 Bauarten von Kondensatableitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1088.3.1.1 Schwimmerkondensatableiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1088.3.1.2 Thermische Ableiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1098.3.1.3 Thermodynamische Ableiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

8.4 Sammelsystem und Rückführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1118.5 Verlegung von Kondensatleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

9 Dampf- und Kondensatsysteme für verschiedene Einsatzfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1279.1 Entwässerung von Dampfleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1279.2 Kondensatableitung an Lufterhitzern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1279.3 Kondensatableitung aus dampfbeheizten Wärmeaustauschern

mit Produkttemperaturen <100°C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1309.4 Dampfseitige Regelung von Wärmeaustauschern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1329.5 Kondensatanstauregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1329.6 Korrosionsschäden an Wärmeaustauschern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1359.7 Vermeiden von Frostschäden in Wasserdampf- und Kondensatsystemen . . . . . . . . . . . . 136

Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

Die Salzgehalte liegen im Durchschnitt beiOzeanen:

NaCl 29,60 g/lMgCl2 3,80 g/lMgSO4 2,25 g/lCaSO4 1,38 g/l

Neben den angegebenen Salzen sind nochVerbindungen von Kalium, Brom, Strontium,Bor und Fluor vorhanden.

Der Sauerstoffgehalt schwankt zwischen0…8,5 mg/l.

Kohlendioxid ist in beträchtlichen Mengenim Meerwasser gespeichert und hält denpH-Wert des Wassers nahezu konstant bei7,8…8,3.

Entsprechend des hohen Salzgehaltes liegtdie elektrische Leitfähigkeit bei 21000…52000 mS/cm mit einem Durchschnittswertvon 42000 mS/cm.

Im Persischen Golf liegt die Leitfähigkeitbei 72000 mS/cm.

Meerwasser ist sowohl durch seinen Sauer-stoffgehalt als auch durch die seine Leitfähig-keit bewirkende Salze aggressiv und bildetwegen seines Chloridgehaltes keine wirksameSchutzschichten.

Brackwasser ist eine an den Flussmündungenvorkommende, abhängig von Gezeiten undWasserstand stark schwankende Mischungvon Süßwasser und Meerwasser, mit einerLeitfähigkeit die bis zu ca. 32000 mS/cm an-steigen kann und mit oft stark materialangrei-fenden Eigenschaften. Die Werkstoffauswahlrichtet sich nach der Analyse.

Sole ist salzhaltiges Wasser mit mindestens14 g/l Salze (hauptsächlich Natriumchlorid).

1 Rohwasser

Wasser kommt in der Natur nicht rein vor,sondern enthält je nach Herkunft (Meer-, See-,Fluss-, Brunnen- oder Regenwasser) unter-schiedliche Stoffe. Diese Stoffe können sowohlals Salze, freie Säuren, Staub, organische Teilebzw. auch als Gase gelöst oder suspendiertsein und beeinflussen je nach Menge und Artdas Verhalten von Wasser.

Da die Lösungsfähigkeit dieser Stoffe inWasser temperaturabhängig ist, können so-wohl Abscheidungen als auch Stoffaufnah-men stattfinden.

Außerdem sind im Rohwasser oft noch un-gelöste Stoffe anorganischer und organischerZusammensetzung als Schwebstoffe oder ab-setzbare Stoffe enthalten. Um Ablagerungen,Ausgasungen und Korrosion in den Anlagen-bauteilen zu vermeiden, werden bestimmteGüteeigenschaften von Wasser gefordert.

Regenwasser ist als Sonderrohwasser anzuse-hen, da dieses Wasser nach der Verdunstungund anschließenden Kondensation (Regen)ohne Bodendurchströmung zur Anwendungkommt und somit Beimengungen stark redu-ziert sind.

Brunnen- und Oberflächenwasser enthältimmer auch Sand, wobei Brunnenwasser biszu 0,3 mg/l Sand enthalten kann.

Mineralwasser ist aus Quellen gewonnenesWasser, das mindestens 1000 mg/l gelösteSalze oder 250 mg/l freies Kohlendioxid ent-hält.

Meerwasser hat etwa folgende Massenanteilean gelösten Salzen:

Ozeane 3,3…3,75%Nordsee 3,2%Ostsee 0,6…1,9%Mittelmeer 3,8%Totes Meer 21,7%

10 Rohwasser

Die im Wasser enthaltenen Salze (Erdalkali-,Alkali- und Schwermetallsalze) sind vor allemCarbonate (kohlensaure Salze) und Bikarbo-nate (doppelkohlensaure Salze), Chloride(salzsaure Salze) sowie Nitrate des Calciumsund des Magnesiums.

2.1.1 Kalkablagerungen (Steinbildung)

Unter Steinbildung versteht man Beläge ausCalciumcarbonat auf wasserführenden Wan-dungen. Im Gegensatz zur Korrosion spielenbei der Steinbildung die Eigenschaften desWerkstoffes nur eine untergeordnete Rolle.

Zur Steinbildung kommt es aufgrund derReaktion:

Ca2+ + 2 HCO3 Æ CaCO3 + CO + H2O

(Gl. 2.1)

wenn Wasser erwärmt wird.Die Kalkablagerung wird durch die Menge

von im Wasser gelösten Calciumhydrogencar-bonat bestimmt.

2.2 Korrosion

Die Korrosion in wässrigen Lösungen istmeist durch elektronische Vorgänge bedingt.Bei einem elektrochemischen Vorgang tretenPotentialunterschiede in räumlich verschiede-nen Bezirken der Metalloberfläche auf, sodasseine katodische und anodische Reaktion ab-laufen kann.

An der Anode gehen bei der Korrosion dieAtome des Anodenmetalls als positive Ionenin Lösung. Ordnet man die Metalle nachihrem Lösungspotential, so erhält man dieelektrolytische Spannungsreihe, bei der diewasserstoffumspülte Platinelektrode das Po-tential 0 besitzt (Tabelle 2.1).

2 Anwendungsgrenzen von Rohwasser

Durch die Bestandteile des Rohwassers sowiedie Konstruktionswerkstoffe der Anlage undderen Betriebsbedingungen kann es zu Abla-gerungen, Korrosion und Gasabscheidungenkommen.

2.1 Ablagerungen

Ablagerungen bilden sich einmal durch diefesten Bestandteile im Wasser sowie durch dieAbscheidung von gelösten Stoffen, wobei hierSalze, Kalk und Gips die entscheidenden An-teile darstellen.

Die Verwendung von Rohwasser ist bis zueiner Temperatur von rund 60°C möglich, beieinem Gehalt an Salz von 0,2 …0,5 g/l. BeimÜberschreiten dieser Temperatur scheidensich aber die vorher gelösten Salze ab. Es bil-det sich «Wasserstein» bzw. bei Temperaturenüber 100 °C sog. «Kesselstein», der sich an denWandungen festsetzt, den Wärmeübergangsomit hindert und durch seine geringe Wär-meleitfähigkeit auch Wärmespannungen inden Heizflächen erzeugt. Bei Rohrleitungenist außerdem die Verengung des lichten Quer-schnittes nachteilig.

Die Bestandteile des «Kesselsteins» sind über-wiegend:

Calciumcarbonat (Kalk) CaCO3

weich und leichtlöslich

Magnesiumcarbonat MgCO3

weich und leichtlöslich

Calciumsulfat (Gips) CaSO4

hart und schwerlöslich

Calciumsilikat CaSiO3

sehr hart undnahezu unlöslich

Je negativer das Potential, desto unedler istdas Metall. Bei Anwesenheit eines Elektro-lyten wird immer das unedle Metall angegrif-fen. Demnach wird ein verzinnter (Sn) Stahlunter der Deckschicht korrodieren (rosten),wenn diese Deckschicht Poren aufweist.

Dagegen rosten verzinkte (Zn) Stahlteileerst, wenn der Überzug in größeren Bereichenverschwunden ist. Eine Potentialdifferenz bil-det sich nicht nur zwischen verschiedenenMetallen aus, sondern es können sich auch in-nerhalb eines einheitlichen Metallstücks Berei-che mit unterschiedlichem Potential bilden.Solche Stellen verschiedenen Potentials (Loka-lelement) entstehen beispielweise, wenn Ge-fügeinhomogenitäten oder örtliche Kaltver-formungen vorliegen.

Nach der Erscheinungsform des Korro-sionsangriffes kann man in gleichmäßig ab-tragende Korrosion und ungleichförmig (lo-kalisiert) angreifende Korrosion einteilen,wobei in der Regel nur die lokalisiert an-greifende Korrosion für Schadensfälle bedeut-sam ist.

2.2.1 Gleichmäßige Flächenkorrosion

Eine gleichmäßige Flächenkorrosion findet insauerstoffhaltigen Wässern immer statt. DieGeschwindigkeit der Korrosion wird i. A.durch Deckschichten wesentlich verringert,sodass die Abtragungsrate meist technisch to-leriert wird.

Bei fehlender Schutzschicht wird die Kor-rosionsgeschwindigkeit durch die Konzentra-tion der Oxidationsmittel c (O2), c (NO3

–) undc(H+), bei Anwesenheit von sulfatreduzieren-den Bakterien auch c (SO4

2–) und durch dieStrömungsgeschwindigkeit bestimmt.

12 Anwendungsgrenzen von Rohwasser

2.2.2 Ungleichmäßige Flächenkorrosion

Ungleichförmige Flächenkorrosion unter Aus-bildung von Mulden- und Lochfraß tritt im-mer auf, wenn keine Schutzschichten, aberunvollständige Deckschichten entstehen. Dasist bei den meisten sauerstoffhaltigen Wässernder Fall. Das Ausmaß des örtlichen Angriffeshängt von zahlreichen Einflussgrößen, insbe-sondere von den geometrischen Abmessun-gen des Bauteils sowie von der Oberflächen-beschaffenheit und von den Anfangsbedin-gungen der Korrosion ab.

2.2.3 Korrosion an Wandungenvon freien Wasseroberflächen

An Metallwänden an denen eine Grenzflächevon Wasser und Luft besteht, ist bevorzugtKorrosion durch Elementbildung möglich.Um diese Korrosion zu vermeiden, gibt es fol-gende Möglichkeiten:

❑ Korrosionsbeständige Werkstoffe zu ver-wenden,

❑ Abdeckung der freien Oberfläche mit einerMembrane,

❑ Luft durch ein Inertgas zu ersetzen (z. B.Stickstoff N2),

❑ Säurebildner, wie z. B. Chlor in den Salzen,aus dem Wasser zu entfernen.

Eine der meisten praktizierten Möglichkeitenist die Membranabdeckung der freien Wasser-oberfläche und falls noch ein Systemüber-druck erforderlich ist, diesen Druck mittelsz. B. Stickstoff zu erzeugen. Hierdurch wirdvermieden, dass Sauerstoff (bei Luft als Druck-erzeuger) durch die Membrane diffundiertund so in das Wasser gelangen kann.

Element Mg Al Zn Fe Cd Ni Sn Pb H2 Cu Ag Pt Au

Spannung V –2,37 – 1,66 – 0,76 –0,44 – 0,40 – 0,23 –0,14 –0,13 ±0,00 +0,34 +0,80 +1,2 +1,5

Tabelle 2.1 Elektrolytische Spannungsreihe (von technisch wichtigen Metallen)

2.2.4 Korrosion bei einmaligerWasserfüllung

Bei Wassersystemen ohne ständige Wasserer-neuerung, bei denen der im Wasser gelösteSauerstoff und die Kohlensäure durch Korro-sion verbraucht wird, hängt die verbleibendeKorrosivität des Wassers alleine davon ab, inwelchem Maße Sauerstoff aus der Atmos-phäre in die Anlage gelangen kann.

Beispiel

Stahl reagiert mit sauerstoffhaltigem Wasserzunächst gemäß:

Fe + 1/2 O2 + H2O Æ Fe(OH)2 (Gl. 2.2)

zu Eisenhydroxid Fe(OH)2 , das sich weiter um-wandelt:

3 Fe (OH)2 + 1/2 O2 Æ Fe3O4 +3 H2O (Gl. 2.3)

zu Magnetit Fe3O4

Bei luftgesättigtem Wasser beträgt der Sauer-stoffgehalt ca. 10 mg/l. Aus obiger Gleichungergibt sich, dass 1 m3 luftgesättigtes Wasserca. 26 g Eisen umwandeln. Rechnet man dieseEisenmenge auf die Geometrie in einem RohrDN 25 mit 1 m Länge und mit einem Wasservo-lumen von 0,6 l um, ergibt sich bei gleichmäßi-ger Korrosion eine Wanddickenschwächungvon 0,02 µm. Eine einmalige mit Sauerstoff ge-sättigte Wasserfüllung bewirkt somit keine zubeachtende Korrosion.

2.3 Gasbildung

Die Gaslöslichkeit in Wasser ist abhängig vonTemperatur und Druck (Bild 2.1 und Bild 2.2).Gemäß dem Henry’schen Gesetz ist die Lös-lichkeit zum Druck proportional.

Durch Druck- und Temperaturunter-schiede in der Anlage kommt es deshalb, ins-besondere an Stellen mit niedrigem Druckund gleichzeitig erhöhter Temperatur, zu Gas-abscheidungen im System.

Gasbildung 13

Wasserstoffbildung

Wenn der Sauerstoff des Wassers durch Korro-sion verbraucht wird, kann es in Stahlrohrlei-tungen zur Bildung von Wasserstoff kommen:

3Fe (OH)2 Æ Fe3O4 + 2H2O + H2 (Gl. 2.4)

Bei der chemischen Analyse des beim Entlüf-ten anfallenden Gases, wird neben dem Was-serstoff auch Stickstoff festgestellt. Dies zeigt,dass der für die primäre Reaktion (Gl. 2.2) er-forderliche Sauerstoff durch Eintritt von Luftin die Anlage gelangt ist. Ursache ist oftmalsUnterdruck an irgendeiner Stelle in der An-lage.

Bild 2.1 Löslichkeit für Sauerstoff in Wasser

14 Anwendungsgrenzen von Rohwasser

Bild 2.2 Löslichkeit von CO2 in Wasser (p = 1 bar)

wobei X ein Atom, Molekül, Ion oder eineAtomgruppe sein kann.

❑ Ionenäquivalent durch die Ladungszahldes Ions,

❑ Neutralisationsäquivalent durch die An-zahl der H+-Ionen oder OH–-Ionen, die esbindet oder ersetzt,

❑ Redoxäquivalent durch die Anzahl der proTeilchen abgegebenen oder aufgenomme-nen Elektronen.

Für die symbolische Darstellung von Äquiva-lenten wird der Bruchteil 1/z vor das Symboldes Teilchens X gesetzt:1/z X

Beispiele: 1/2 Ca2+, 1/2 H2SO4 , 1/5 KMnO4

Molare Masse

Die molare Masse eines Stoffes X ist der Quo-tient aus seiner Masse m (X) und seiner Stoff-menge n (X):

m (X)M (X) = 0n (X)

Zur Angabe der molaren Massen von Stoffenals Größengleichung werden die Symbole fürderen Teilchen in Klammern hinter das For-melzeichen M gesetzt.

M (H) = 1,008 g/mol

M (H2) = 2,016 g/mol

M (NaOH) = 40,00 g/mol

Die Molmassen der wichtigsten Wasserin-haltsstoffe gibt Tabelle 3.1 wieder.

Massenanteil w

Der Massenanteil w eines Stoffes X in einerMischung ist der Quotient aus seiner Masse m(X) und der Masse m der Mischung:

3 Wasseraufbereitung

Zur Vermeidung von Ablagerungen, Korro-sion und Gasausscheidungen, muss das Was-ser im Anlagenbau aufbereitet werden.

Zur Beurteilung der Qualität des Wassersmuss eine Analyse des Wassers vorliegen.

3.1 Begriffe zur Beurteilungvon Wasser

3.1.1 Allgemeine Einheiten

Stoffmenge n

Die Basisgröße Stoffmenge beschreibt dieQualität einer Stoffportion auf der Grundlageder Anzahl der darin enthaltenen Teilchen be-stimmter Art:

Die Einheit der Basisgröße wird mit Mol be-zeichnet.

Die Stoffmenge einer Stoffportion ist 1 molgroß, wenn sie aus ebenso vielen Einzelteil-chen besteht, wie Atome in 12 g des Kohlen-stoffisotops 12C enthalten sind.

Die Stoffportion bezeichnet einen abge-grenzten Materienbereich – also eine be-stimmte abgemessene Menge eines Stoffes,z. B. 2 kg Wasser.

Benutzt man die Basisgröße Stoffmenge,müssen die Einzelteilchen spezifiziert seinund können Atome, Moleküle, Ionen, Elektro-nen oder andere Teilchen oder Gruppen vonTeilchen genau angegebener Zusammenset-zung sein.

Die Angabe erfolgt als Größengleichung:

n (H2SO3) = 3,5 mol

n (Cl–) = 0,1 mol

Äquivalent

Ein Äquivalent ist der gedachte Bruchteil 1/z

eines Teilchens X im Sinne der Mol-Definition,