Condensate Removal

Geeignete Verfahren zur Vermeidung von Kondensatrückstau

Wenn Kondensatrückstaubedingungen unvermeidbar sind, können mögliche Probleme dadurch umgangen werden, dass die Installation gemäß einer der drei Grundlösungen gestaltet wird:

1. Sicherstellen, dass der Dampfdruck im Dampfraum niemals unter Atmosphärendruck absinken kann und das Kondensat über die Schwerkraft einem Kugelschwimmer-Kondensatableiter zugeführt und über diesen abgeleitet werden kann. 
2. In Kauf nehmen, dass der Druck im Dampfraum vielleicht geringer als der Gegendruck ist, und durch Einbau eines Pump-Kondensatableiters für alternative Wege der Kondensatableitung sorgen. 
3. Sicherstellen, dass der Druck im Dampfraum stabil und höher als der Gegendruck ist. Das ermöglicht es, das Temperaturregelsystem auf der Sekundärseite des Systems zu haben.

Diese drei Optionen zusammengefasst:

1. Installationen, die sicherstellen, dass die Bedingungen im Dampfraum niemals unter Atmosphärendruck absinken können, und das Kondensat über die Schwerkraft einem Kugelschwimmer-Kondensatableiter zugeführt und über diesen abgeleitet werden kann:
 
1a) Kondensatableitung über die Vakuumbrecher-Verfahren (siehe Abbildung 13.8.1).

Der Kondensatableiter darf keinem Gegendruck ausgesetzt sein, der höher als der Atmosphärendruck ist, und muss das Kondensat entweder in einen offenen Abfluss entwässern (was Verschwendung wäre) oder in einen nahe gelegenen offenen Sammelbehälter mit Pumpe, was es ermöglicht, die im Kondensat enthaltene Energie zurückzugewinnen.

1b) Verfahren mit zusätzlichem Entwässerungsableiter (siehe Abbildung 13.8.2)

Eine normale Kugelschwimmer-Ableitergruppe wird installiert, welche das Kondensat in ein Kondensatsystem zurückführt, welches entweder druckbeaufschlagt ist und/oder sich oberhalb der Kondensatableiters befindet. Es wird ein zusätzlicher Kugelschwimmer-Ableiter eingebaut, welcher Kondensat über ein offenes Ende in einen Abfluss entwässert.

Wenn genügend Dampfdruck vorhanden ist, um den Gegendruck zu überwinden, wird der „Haupt“- Kugelschwimmer-Ableiter arbeiten, aber wenn Rückstau auftritt, wird sich Kondensat anstauen und über den zusätzlichen Kugelschwimmer-Ableiter abgeleitet, um zu verhindern, dass Kondensat den Wärmetauscher flutet.

Da dieses Kondensat in den Abfluss geleitet wird, sollte diese Methode nur angewandt werden, wenn Kondensatrückstau selten vorkommt. Der zusätzliche Kugelschwimmer-Ableiter sollte so ausgelegt werden, dass er die Rückstaulast mit Hilfe der Zulaufhöhe ableiten kann, wie in Methode 1a, und der „Haupt“-Ableiter sollte dieselbe Größe haben, aber sich mindestens 150 mm unterhalb des Abzweig-T-Stückes für den zusätzlichen Ableiter befinden.

Neben dem offensichtlichen Nachteil des Energieverlustes benötigt diese Methode einen verfügbaren Höhenunterschied zwischen den Ableitereintritten und dem Wärmetauscheraustritt.

2. Installationen, die es erlauben, dass der Dampfdruck im Dampfraum unter den Gegendruck fällt, aber bei denen das Kondensat über die Schwerkraft zu einer Pump-Kondensatableiter-Installation fließen kann.

2a) Eine Pumpe, installiert in Kombination mit einem Kugelschwimmer-Ableiter (siehe Abbildung 13.8.3)

Dieses Verfahren nutzt eine Pumpe, die in Kombination mit einem Kugelschwimmer-Ableiter installiert ist. Sie ist am besten für Wärmetauscher mit einer Nennheizleistung von mehr als 1,5 MW (nominal 2 500 kg/h Dampf) geeignet.

Der Dampfdruck ändert sich relativ zu den Änderungen der Heizlast. Bei großen Heizlasten wird der Dampfdruck größer als der Gegendruck sein, aber bei geringen Heizlasten dafür geringer.

Die Pumpe ist eine mechanische, durch Druck angetriebene Bauform, bei der eine zusätzliche Dampfversorgung automatisch einspringt, um den Antriebsdruck zu liefern, der das Kondensat bei Rückstau wegfördert. Wenn der Dampfraumdruck höher als der Gegendruck ist, strömt das Kondensat durch das Pumpengehäuse zum Kugelschwimmer-Ableiter, welcher dem Kondensat ermöglicht, abzufließen.

Dieses Verfahren ist für große Installationen besser geeignet und wirtschaftlicher, zum Beispiel für solche, die Kondensataustrittsleitungen von DN 40 oder größer aufweisen

2b) Ein Pump-Kondensatableiter in Verbindung mit einem Wärmetauscher mit konstantem Durchfluss (siehe Abbildung 13.8.4)

Der sekundärseitige Massenstrom ändert sich nicht, während er durch den Wärmetauscher strömt, demzufolge ändert sich der Dampfdruck in Abhängigkeit von den Änderungen der sekundärseitigen Rücklauftemperatur. Bei großen Heizlasten wird der Dampfdruck größer als der Gegendruck sein, aber bei kleineren Heizlasten dafür geringer.

Diese Methode nutzt einen Pump-Kondensatableiter, welcher die Funktionen einer Pumpe, eines Kondensatableiters und von Rückschlagventilen in einem Gehäuse vereint.

Der automatische Spirax Sarco Pump-Kondensatableiter APT14 ist so konstruiert, dass er nur einen sehr geringen Einbauraum benötigt und an Wärmetauschern mit einer nominalen Heizleistung von bis zu 1,5 MW montiert werden kann.

Er ist am besten für Installationen geeignet, die Kondensataustrittsleitungen bis zu DN 25 verwenden, kann aber unter Umständen auch für Entwässerungsleitungen bis zu DN 40 eingesetzt werden.

Eine typische Installation ist in Abbildung 13.8.4 dargestellt.

2c) Ein Pump-Kondensatableiter in Verbindung mit einem Wärmetauscher mit wechselndem Durchfluss

Diese Methode ist der von 2b) sehr ähnlich, aber der sekundärseitige Durchfluss durch den Wärmetauscher wechselt auf Grund der Einwirkung des sekundärseitigen Mischventils mit der Heizlast.

Der Wärmetauscher liefert einen Wasserstrom mit konstanter Temperatur, welcher in Abhängigkeit von der Last durch das sekundärseitige Mischventil erzeugt wird. Da der sekundärseitige Durchfluss variiert, ändert sich der Dampfdruck, um eine konstante Vorlauftemperatur einzuhalten, so dass er bei großen Lasten über und bei kleinen Lasten unter dem Gegendruck liegt.

3. Installationen, die sicherstellen, dass der Dampfdruck konstant gehalten wird und niemals unter den Gegendruck fallen kann, und dass das Kondensat dem Kondensatableiter zugeführt und über diesen abgeleitet werden kann.

3a) Kondensatableiter mit Temperaturregelventil im Sekundärkreislauf

Dieses Verfahren erfordert es, dass die Temperaturregelung über ein 3-Wege-Misch- oder Verteilventil im Sekundärkreislauf ausgeführt wird. Die Dampfversorgung zum Wärmetauscher wird über ein Druckregelventil auf einem konstanten Druck (normalerweise weniger als 1 bar ü) gehalten und dadurch kann Kondensat immer gegen einen niedrigeren Gegendruck ausgeleitet werden.

Diese Methode ist jedoch nicht immer geeignet oder anwendbar. Sie ist für Dampf-/Luft-Heizregister oder Flüssigkeitssysteme ungeeignet, bei denen das sekundärseitige System einen so geringen Druck aufweist, dass nicht verhindert werden kann, dass die Flüssigkeit siedet.

Wie alle Verfahren hat es sowohl Vorteile wie auch Nachteile, welche abzuwägen sind, bevor eine Entscheidung getroffen werden kann.

3b) Kondensatableiter und Regelventil in der Kondensataustrittsleitung (siehe Abbildung 13.8.7

Die Kondensatableitung wird über ein Regelventil in der Kondensataustrittsleitung realisiert. Diese Methode hält auch den gewünschten Dampfdruck im Dampfraum unabhängig von den Lastbedingungen konstant.

Eine Auf-/Zu-Regelung sollte bei Wärmetauschern nicht verwendet werden

Ein Auf-/Zu-Temperaturregelventil moduliert nicht in Abhängigkeit von der Heizlast, sondern ist entweder voll geöffnet oder vollkommen geschlossen. Ein Beispiel dafür wäre ein Magnetventil. Wenn es geöffnet ist, wird der volle Dampfdruck im Wärmetauscher anstehen, um das Kondensat gegen einen Gegendruck auszuschleusen. Auf den ersten Blick scheint diese Regelmethode geeignet, um alle Gegendruckprobleme lösen zu können, aber sie ist für Anwendungen wie Wärmetauscher, bei denen das sekundärseitige Fluid beim Durchströmen auf seine erforderliche Temperatur aufgeheizt wird, nicht zu empfehlen. Dafür gibt es drei Hauptgründe:

• Ein Auf-/Zu-Regelsystem wird über einen Thermostat angesteuert, welcher auf eine Produktübertemperatur anspricht, um eine Regelung auszuführen. Da Dampf einen hohen Wärmeinhalt besitzt, kann im Dampfraum noch eine erhebliche Wärmemenge vorhanden sein, nachdem das Magnetventil geschlossen hat. Die Folge davon ist eine höhere Produkttemperatur als erforderlich. Sollte die Einstellung des Thermostats herunter gesetzt werden, um diesen Effekt entgegenzuwirken, könnte die Einschalttemperatur niedriger sein als die Systemparameter es erfordern. Das kann eine schlechte Regelung der Systemtemperatur und möglichen Produktionsausschuss nach sich ziehen. 
• Die andauernden und schnellen Druck- und Temperaturänderungen werden thermische und mechanische Spannungen auf den Wärmetauscher ausüben, was gegebenenfalls dessen Lebensdauer reduziert. 
• Es ist nie eine gute Idee ein Dampfsystem einem schlagartigen Druckanstieg auszusetzen. Das im Dampfraum und in den Kondensatleitungen vorhandene Kondensat wird durch den plötzlich einströmenden Dampf unverzüglich durch das System in Richtung Kondensatableiter gedrückt. Das kann Wasserschläge und Beschädigungen am Wärmetauscher und Kondensatableiter verursachen.

Eine Auf-/Zu-Regelung ist normalerweise für „Speicher-“ oder „Chargenprozesse“ der Wärmeübertragung geeignet, insbesondere Tanks mit robusten Heizschlangen oder doppelwandige Kochkessel, bei denen der gewünschte Dampfdruck über eine lange Aufheizzeit (normalerweise über mehrere Minuten oder sogar Stunden) aufgebracht wird. Der Anstieg der Produkttemperatur ist wesentlich langsamer, als man es von durchströmten Systemen kennt, von denen erwartet wird, dass sie das Produkt in der kurzen Zeit, die dieses benötigt, um durch den Wärmetauscher zu strömen, aufheizen. 

Schlussfolgerung

Der im Allgemeinen für Wärmetauscher – und speziell wenn Kondensatrückstau zu erwarten ist – am besten geeignete Kondensatableitertyp ist ein Kugelschwimmer-Kondensatableiter mit eingebautem Kapselentlüfter.

Wenn die Möglichkeit von Kondensatrückstau besteht, ist ein Pump-Kondensatableiter grundsätzlich die effektivste Art und Weise damit umzugehen, da er folgende Vorteile besitzt:

• Einfach 
• Kostengünstig
• Kompakt

Bitte beachten Sie: Die Abbildungen in diesem Modul sind schematisch und beinhalten zur Vereinfachung nicht alle erforderlichen oder für eine spezifische Installation empfohlenen Ausrüstungsteile. Die Ausnahme ist die Abbildung 13.8.8, die eine ausführliche, reale Installation eines automatischen Pump-Kondensatableiters APT14 zeigt.