Condensate Removal

Die Primärseite des Wärmetauschers wird als „Dampfraum“ und die Kondensatableitereinheit als „Ableiter“ bezeichnet. Der Ableiter kann ein Kondensatableiter, ein Pump-Kondensatableiter oder eine kombinierte Installation aus Kondensatableiter und Pumpe sein.

Bei diesen Anlagen misst ein Fühler die Temperatur des abströmenden, erwärmten Fluids im Sekundärkreislauf. Das Stellventil ist bestrebt, eine vom Regler vorgegebene Temperatur einzuhalten, unabhängig von Schwankungen in der Heizlast. Dies erreicht das Ventil durch Öffnen und Schließen, um den Dampfdurchsatz zu ändern und gleichzeitig den Druck im Dampfraum zu variieren.

Der Kondensatableiteraustritt kann einer ansteigender Leitung und/oder einem Gegendruck in der Kondensatleitung ausgesetzt sein, oder auf ein offenes Ende, das nur dem Atmosphärendruck ausgesetzt ist, zulaufen. In diesem Block wird der Kondensatdruck als „Gegendruck“ bezeichnet werden.

Die Wärmetauscheranlage kann nahezu alles sein, was die oben aufgeführten Kriterien erfüllt. Zu den Beispielen zählen:

• Rohrbündelwärmetauscher
• Plattenwärmetauscher
• Luftheizschlangen oder -batterien in Luftkanälen 
• Leitungen oder Leitungsschlangen in Prozessausrüstungen, Tanks und Behältern etc.

Der Einfachheit halber werden all diese Geräte in diesem Block als „Wärmetauscher“ oder „Heizgerät“ bezeichnet und der Durchsatz des vom Wärmetauscher beheizten Fluids als der Durchsatz durch die „Sekundärseite“ des Wärmetauschers.

Die Leistung von Wärmetauschern wird oft dadurch reduziert, dass Kondensat den Dampfraum flutet oder es zu Kondensatabschluss kommt. Die beiden Hauptursachen für Kondensatabschluss sind:

• Installation des falschen Kondensatableitertyps. 
• Kondensatrückstau.

Wichtiger Hinweis

Bei einigen Systemen wird durch bewusste Teilflutung des Dampfraumes im Wärmetauscher versucht, die Temperatur zu regeln. In diesen Fällen ändert der modulierende Betrieb des Regelventils im Kondensataustritt das Kondensatniveau im Dampfraum. Dadurch variiert die Größe der Heizfläche, die dem Dampf ausgesetzt ist, und damit ändert sich wiederum die Wärmeübertragungsrate, so dass die sekundärseitige Vorlauftemperatur geregelt wird.

Bei dieser Art von Systemen ist es wichtig, dass die Wärmetauscher speziell so ausgelegt und hergestellt sind, dass sie den Folgen der Flutung Stand halten können. Wenn dies nicht berücksichtigt wurde, wird sich das Vorhandensein von Kondensat im Wärmetauscher nachteilig auf das Betriebsverhalten auswirken und die Lebensdauer reduzieren.

Diese Art der Regelung kann bei richtiger Auslegung des Systems gewisse Vorteile haben. Einer davon ist es, dass das Kondensat vor seiner Ableitung im Wärmetauscher unterkühlt wird. Damit kann sich die Menge an Nachdampf in den Kondensatleitungen merklich reduzieren, was die Leistungsfähigkeit des Kondensatsystem steigern und gleichzeitig die Energieverluste reduzieren kann.

Der Hauptnachteil bei dieser Betriebsweise ist, dass ein solches System sehr langsam auf Änderungen der Heizlast reagiert.

Was bedeutet Kondensatrückstau?

Kondensatrückstau ist eine Verlangsamung oder Beendigung der Kondensatströmung aus dem Wärmetauscher und tritt dann auf, wenn der Druck im Wärmetauscher gleich oder geringer als der auf den Kondensatableiter wirkende Gegendruck ist.

Ein geringerer als der erwartete Druck im Wärmetauscher kann als Folge einer der folgenden Umstände auftreten:

• Die sekundärseitige Rücklauftemperatur steigt auf Grund einer sinkenden Heizlast. 
• Der sekundärseitige Fluidstrom sinkt auf Grund einer sinkenden Heizlast.
• Die sekundärseitige Vorlauftemperatur sinkt, weil der Soll-Wert abgesenkt wurde.

Da das Regelventil den Dampfdruck reduziert, um eine sinkende Heizlast zu erreichen, verursacht der fehlende Differenzdruck über den Kondensatableiter, dass Kondensat den Dampfraum flutet (siehe Abb. 13.1.1).

Auf Grund der berücksichtigten Sicherheitsfaktoren und da Wärmetauscher in vorher festgelegten Größen verkauft werden, haben sie oft mehr Heizfläche als erforderlich. Das hat zur Folge, dass die Wärmeübertragungsleistung des Tauschers über der der Anforderung liegt. Das bedeutet auch, dass der Betriebsdampfdruck geringer sein wird als der bei einem vergleichbaren Wärmetauscher, der für die gleiche Aufgabe perfekt dimensioniert wurde. Daraus resultiert, dass auch weniger Dampfdruck vorhanden ist, um das Kondensat herauszudrücken, als vielleicht erwartet wurde. Der Dampfdruck im Wärmetauscher ist deswegen wichtig, weil er die Kondensatrückstaubedingungen beeinflusst, welche sich im Gegenzug wieder auf die Ableiterauswahl auswirken.

Bevor irgendeine Ableiterauswahl und -auslegung stattfinden kann, ist es notwendig festzustellen, ob Kondensatrückstau auftreten wird oder nicht und wenn ja, in welchem Maß. Wenn das nicht gemacht wird, ist es sehr wahrscheinlich, dass der Wärmetauscher zeitweise oder seine ganz Betriebslebensdauer mit Kondensatrückstau konfrontiert wird. Wenn es dazu kommt, wird das vom Betreiber vielleicht nicht gleich erkannt werden, da sich die Betriebsleistung in einem überdimensionierten Wärmetauscher gegebenenfalls nicht verringert. Kondensatrückstau kann aber kurz- oder langfristig schwerwiegende finanzielle Folgen nach sich ziehen, außer der Wärmetauscher ist für diese Betriebsweise konstruiert worden.

Kurzfristige Probleme

Stellen Sie sich ein wie in Abbildung 13.1.1 dargestelltes, überdimensioniertes Luftheizregister vor, das als Frostschutzwächter arbeitet und mit dem falschen Typ (oder Größe) von Ableiter ausgerüstet ist.

In diesem Beispiel heizt Frostschutzwächter kalte Luft vor, bevor sie in das Hauptluftheizregister geleitet wird. Dabei erfüllt der Frostschutzwächter seine thermischen Anforderungen (da er für die Anwendung überdimensioniert ist) und das auch, wenn sich in der unteren Hälfte der Heizschlange Kondensat zurückgestaut hat. Eintretende, kalte Luft mit nahezu 0 °C (typischerweise mit 3 m/s strömend), die über die Heizschlange strömt, kann das Wasser darin leicht zum Einfrieren bringen. Dadurch muss das Luftheizregister repariert oder ausgetauscht werden und verursacht damit entweder Schwierigkeiten oder unerwartete Kosten.

Kondensatrückstau und Einfrieren wird nicht auftreten, wenn die Anwendung richtig dimensioniert ist.

Langfristige Probleme

Unterdimensionierte Ableiter zeigen manchmal nicht sofort eine Beeinträchtigung der Heizerleistung, wenn der Heizer überdimensioniert ist.

Paradoxerweise kann ein falscher Typ von Ableiter, der an einem Wärmetauscher montiert ist, auf den ersten Blick eine Verbesserung irgendwo anders im Kondensatsystem hervorrufen. Zum Beispiel staut ein an Wärmetauschern installierter, thermischer Ableiter oder Blendenableiter Kondensat so zurück, dass es unter die Sattdampftemperatur unterkühlt wird. Dadurch wird der Nachdampf aus systemgegebenen Öffnungen, wie zum Beispiel die Entlüftung von Kondensatsammlern, reduziert. Der normale Beobachter könnte dies als eine Möglichkeit interpretieren, Energie einzusparen, und leicht dazu verleitet werden, diese Geräte einzubauen. Leider ist die Situation nicht ganz so einfach wie es scheint. In Wahrheit bedeutet das Zurückhalten des Kondensats bis zur seiner Unterkühlung zu einem gewissen Grad auch Kondensatrückstau. Kondensat, welches ständig den Dampfraum flutet, wird Korrosion mit kostspieligen Folgen verursachen. Die Lebensdauer des Wärmetauschers wird verkürzt und die gesamten Lebenszykluskosten der Anlage werden steigen.

Die Folgen, die durch einen gefluteten Wärmetauscher hervorgerufen werden, hängen von den Gegebenheiten der einzelnen Installation ab.

Die Symptome und Folgen von Kondensatrückstau werden später in diesem Modul detailliert besprochen.

Wie kommt es zu Kondensatrückstau?

Um Kondensatrückstau zu verstehen, muss man sich bewusst sein, dass Sattdampf ein Gas ist, das seine Energie abgibt, wenn es zu Wasser kondensiert. Diese Kondensation findet immer bei konstanter Temperatur statt, solange der Druck im Dampfraum konstant bleibt.

Zum Beispiel hat Sattdampf bei Atmosphärendruck eine Temperatur von 100 °C und kondensiert auch wieder zurück zu Wasser von 100 °C, wohingegen Sattdampf bei einem Überdruck von 1 bar eine Temperatur von 120 °C besitzt und zu Wasser mit 120 °C zurück kondensieren wird. Dampf kann in einem Wärmetauscher auch unter dem Atmosphärendruck vorkommen, d. h. Dampf mit 0,5 bar unter Atmosphärendruck hat eine Temperatur von 82 °C und wird auch zu Wasser mit 82 °C kondensieren. Der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur bei Sattdampf ist genau vorhersehbar und wird in Dampftafeln dargestellt.

Die grundlegende Wärmetauscher-Theorie besagt, dass je höher die Sattdampftemperatur über der des zu beheizenden Fluids liegt, umso größer ist die mögliche Wärmeübertragungsrate. Um die Wärmeübertagung des kondensierenden Dampfes zu ändern, wird die Temperatur (und somit der Druck) des Dampfs im Dampfraum geändert.

Wenn zum Beispiel ein Wärmetauscher bei Maximallast Dampf mit 160 °C verwendet und die Last um 50 % reduziert wird, ist auch Dampf mit einer niedrigeren Temperatur erforderlich. Um das zu erreichen, muss der Dampfdruck verringert werden, und er wird damit in manchen Fällen geringer als der Gegendruck im Kondensatsystem.

Beispiel:

Ein unter Volllast betriebener Wärmetauscher verwendet Sattdampf mit 1 bar ü (120 °C), um Wasser von 40 °C auf 60 °C aufzuheizen. Volllast ist daher dann gegeben, wenn die Wassertemperatur um 20 °C steigt und die mittlere Wassertemperatur beträgt:

Die Differenz zwischen Dampf- und mittlerer Wassertemperatur wird als arithmetische mittlere Temperaturdifferenz oder AMTD bezeichnet und die Wärmeübertragungsmenge ist dazu proportional. Die AMTD bei Volllast in diesem Beispiel beträgt 120 °C - 50 °C = 70 °C.

Stellen Sie sich die Situation vor, dass die Prozesslast auf ²/₃ der Last absinkt. Bei Volllast steigt die Wassertemperatur um 20 °C. Wenn die Last auf ²/₃ der Volllast absinkt und die Austrittstemperatur des Wassers bei 60 °C konstant bleibt, bedeutet das, dass der Temperaturanstieg ²/₃ von 20 °C sein muss.

Daher ist:

Bei ²/₃ Last ist der Temperaturanstieg = 2/3 von 20 °C = 13,3 °C
und die Eintrittstemperatur = 60 °C - 13,3 °C = 46,7 °C

Demzufolge wird bei ²/₃ der Last die Rücklauftemperatur auf 46,7 °C gestiegen sein und somit beträgt die mittlere Wassertemperatur nun:

Bei ²/₃ der Last wird die erforderliche Wärmeübertragung ²/₃  von der bei Volllast betragen und die AMTD entsprechend ²/₃ der bei Volllast sein, d. h.

Daraus folgt, dass die Dampftemperatur bei ²/₃  der Last die mittlere Wassertemperatur bei ²/₃  der Last plus die AMTD bei ²/₃  der Last sein muss, d. h. 

Da die Sattdampftemperatur bei Atmosphärendruck 100 °C beträgt, folgt daraus, dass der Druck im Dampfraum nun atmosphärisch ist. Demzufolge existiert kein Dampfdruck im Dampfraum mehr, der das Kondensat durch den Kondensatableiter drückt. Selbst wenn die Kondensatleitung zu einem mit der Atmosphäre verbundenen Ableiter abfällt, wird das Kondensat vielleicht nicht aus dem Wärmetauscher abgeleitet. Das Kondensat wird die Entwässerungsleitung füllen und es kommt zu einem Kondensatrückstau in den Wärmetauscher, wenn keine geeigneten Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden.

Wenn sich Kondensat in den Wärmetauscher zurückstaut, wird die Oberfläche, die zur Kondensation von Dampf zu Verfügung steht, geringer, der Wärmestrom fällt ab und die Temperatur des austretenden, erwärmten Wassers beginnt zu sinken. Wenn der Temperatursensor dies erkennt, öffnet der Regler das Stellventil etwas mehr und der Dampfzustrom steigt. Dies hebt den Druck im Dampfraum über Atmosphäre an (in diesem Beispiel) und er wird hoch genug, um Kondensat durch den Ableiter zu drücken. Der Kondensatspiegel fällt, aber nun ist der Druck im Dampfraum höher als der erforderliche atmosphärische Druck, der benötigt wird, um das Wasser auf gerade 60 °C aufzuheizen. Die Wassertemperatur steigt damit an. Wenn der Sensor dies erkennt, schließt der Regler das Stellventil. Der Druck im Dampfraum sinkt auf Atmosphäre - und der Rückstau beginnt wieder von vorne.

Die Folge ist ein kontinuierliches Schwanken der Wassertemperatur über und unter 60 °C. Wenn das sekundärseitige Medium etwas anderes wäre als Wasser, könnte dies in vielen Fällen dessen Qualität beeinflussen.

Was sind die Symptome und die Folgen von Kondensatrückstau?

Eines oder mehrere der folgenden Symptome können auftreten:

Zusammengefasst:

1. Kalter oder kühler Kondensatableiter.
2. Schwingendes Stellventil.
3. Schwankende Vorlauftemperatur. 
4. Temperaturschichtung im Wärmetauscher.
5. Dampfschläge.
6. Reduzierte Wärmeleistung.
7. Geringere Produktqualität.
8. Korrodierende Wärmetauscher.
9. Undichte Wärmetauscher. 
10. Ausfallende Wärmetauscher.

Im Detail:

• Der Kondensatableiter wird kalt oder merklich kühler als die Temperatur in der Dampfzufuhrleitung zum Wärmetauscher. 
• Das Stellventil neigt dazu zu „schwingen“, d. h. es bewegt sich ständig irgendwo zwischen der Auf- und Zu-Stellung. 
• Die Temperatur des sekundärseitigen Fluids, das aus dem Wärmetauscher strömt, ist ungenauer als erwartet oder erforderlich. 
• Es gibt eine Temperaturschichtung auf der Austrittsseite des Wärmetauschers. Dies wird bei Luftheizregistern und Heizgeräten sehr offensichtlich.
  Zum Beispiel ist dies mit Sicherheit bei dem Luftheizregister festzustellen, das in Abbildung 13.1.1 dargestellt ist. Es ist so konstruiert, dass eine Seite der Wärmetauscherfläche normalerweise zugänglich ist, oft über eine Zugangsklappe oder -türe an der Seite des Luftkanals. Wenn Kondensatrückstau auftritt, wird der obere Teil des Registers, der dem Dampfeintritt am nächsten ist, sehr heiß sein, wohingegen es weiter unten viel kühler oder sogar kalt sein wird, und auch der Ableiter wird kühl oder kalt sein. Die Temperatur der Luft, die durch den oberen Teil der Registers strömt, wird spürbar höher sein als die, die durch den unteren Teil strömt.
• Der Wärmetauscher macht entweder fortwährend oder zeitweise knisternde, schlagende oder klopfende Geräusche. Manchmal werden diese Geräusche von schweren Dampfschlägen begleitet, welche Schäden am Wärmetauscher und an den mit ihm verbundenen Ausrüstungsteilen verursachen. Heißer Dampf, der im zurückgestauten Wasser kondensiert, verursacht diese Schläge und die daraus resultierenden Geräusche, insbesondere wenn sich das Rückstauniveau bei wechselnden Lasten ändert.
• In Prozessanwendungen kann eines oder mehrere der oben genannten Symptome eine unzureichende oder unzuverlässige Produktqualität zur Folge haben. 
• Zunehmende Korrosion. Das zurückgestaute Kondensat kühlt sich auf Temperaturen ab, die weit unter der Dampftemperatur am Eintritt in den Dampfraum liegen. Kohlendioxid und Sauerstoff lösen sich viel leichter in kälterem Wasser.
• Kohlendioxid ist ein verbreitetes Nebenprodukt falscher Speisewasseraufbereitung und wird mit dem Dampf in den Wärmetauscher getragen. Wenn es sich im Wasser löst, bildet es Kohlensäure, welche Korrosion verursacht. Im Frischwasser ist Sauerstoff vorhanden, der ebenfalls mit dem Dampf eingetragen wird, wenn er nicht durch den Wasseraufbereitungsprozess vollkommen entfernt wurde. Sein Vorhandensein im Wasser, speziell in kaltem Wasser, in welchem er sich ohne weiteres löst, fördert ebenfalls Korrosion. Wenn beide Gase vorhanden sind, wird die Korrosionsgeschwindigkeit stark beschleunigt. Das Ausmaß der Korrosion wird dabei auch vom Werkstoff des Wärmetauschers abhängen. Kupfer, Baustahl und Edelstahl werden unterschiedlich angegriffen.
• Mechanische Spannungen
  Der heiße Dampf oben im Dampfraum verursachte hier eine Ausdehnung des Wärmetauschers, wohingegen kaltes Wasser im unteren Bereich des Dampfraums das Gegenteil bewirkt. Diese ungleichmäßige Ausdehnung/Kontraktion kann mechanische Spannungen an der Struktur des Wärmetauschers verursachen, besonders an den hart-/weichgelöteten, geschweißten oder kaltverformten Verbindungen in Platten- oder Rohrbündelwärmetauschern und Luftheizregistern. Die häufigste Folge davon ist entweder eine Dampfleckage in die Umgebung oder in den sekundärseitigen Fluidstrom. Diese Belastungen tendieren dazu, bei ständig wechselndem Kondensatrückstauniveau schlimmer zu werden, speziell dann, wenn dieses sich schnell ändert. Das Kondensatrückstauniveau schwankt, wenn sich die Last ändert, und als Folge davon haben es Stellventil und Kondensatableiter schwer, eine stabile Regelung zu erreichen.
  Es sollte darauf hingewiesen werden, dass richtig ausgelegte Plattenwärmetauscher, die für Dampf geeigneten Dichtungen aufweisen, sehr widerstandsfähig gegen solche Belastungen sind.

Die letztendlichen Folgen von Kondensatrückstau sind gesteigerte Wartungsanforderungen und kürzere Betriebsdauer des Wärmetauschers und zugehöriger Ausrüstungsteile. Dies steigert die gesamten Betriebskosten.

Leiden alle Wärmetauscher unter Kondensatrückstau?

Nein. Die Betriebsbedingungen können so sein, dass ausreichender Überdruck vor dem Kondensatableiter vorhanden ist, um das Kondensat zu entfernen, so dass kein Kondensatrückstau auftreten kann.

Allgemein kann man sagen, dass je höher die sekundärseitige Temperatur über 100 °C liegt und je stabiler die Betriebslast ist (besonders wenn sie nahe an der maximalen Leistung des Wärmetauschers liegt), umso unwahrscheinlicher ist es, dass Kondensatrückstau auftritt. Jede Anwendung ist jedoch einzigartig und bedarf individueller Betrachtung. Die einzigen Möglichkeiten, die Dynamik einer Installation zu bestimmen, sind entweder die Aufzeichnung der Anwendungstemperaturen in einer Grafik oder die Durchführung einer mathematischen Berechnung.

Es können auch Anwendungen vorkommen, bei denen es nur teilweise zu Kondensatrückstau kommt, und bei denen Dampfschläge geringe Auswirkungen haben. Das sind meist Anwendungen mit stabiler Last oder solche, bei der sich die Last nur wenig oder sehr langsam ändert und/oder Anwendungen, die sehr robuste Wärmetauscher verwenden.

Ein Beispiel dafür wären korrosionsbeständige Heizschlangen mit großem Durchmesser in einem Tank, welche richtig verlegt sind und ein positives Gefälle in Richtung der Entwässerungspunkte aufweisen.

Sogar bei Anwendungen dieser Art, bei denen die Installation so gestaltet ist oder korrigiert wurde, um Kondensatrückstau auszuschließen, sind eine verbesserte Betriebsweise, eine erhöhte Zuverlässigkeit und reduzierte Lebensdauerkosten nahezu garantiert.