Einführung

Dampf hat es von seiner ursprünglichen Assoziation mit Dampflokomotiven und der industriellen Revolution weit gebracht. Heutzutage ist Dampf ein integraler und wesentlicher Bestandteil moderner Technologie. Ohne ihn könnten unsere Lebensmittel-, Textil-, Chemie-, Medizin-, Stromerzeugungs-, Heizungs- und Transportindustrien nicht existieren oder so funktionieren, wie sie es tun.

Mit Dampf kann eine kontrollierte Menge an Energie von einem zentralen, automatisierten Kesselhaus, wo er effizient und wirtschaftlich erzeugt werden kann, zu seinem Einsatzort transportiert werden. Deshalb kann der sich durch die Anlage bewegende Dampf sowohl als Transportmittel als auch als Lieferant von Energie betrachtet werden.

Aus vielen Gründen ist Dampf einer der am weit verbreitetsten Energieträger. Seine Verwendung ist branchenübergreifend bei einer großen Anzahl an Aufgaben beliebt – von der Erzeugung mechanischer Leistung bis hin zu Raumbeheizung und Prozessanwendungen.

Die Erzeugung von Dampf ist effizient und wirtschaftlich

Wasser ist reichlich vorhanden und nicht teuer. Es ist umweltfreundlich und unschädlich für die Gesundheit. In Gasform ist es ein sicherer und effizienter Energieträger. Dampf kann fünf- bis sechsmal mehr Energie als eine vergleichbare Masse an Wasser speichern.

Wasser, das in einem Dampfkessel erhitzt wird, beginnt, Energie aufzunehmen. In Abhängigkeit vom Druck im Dampfkessel wird das Wasser bei einer bestimmten Temperatur in die gasförmige Phase übergehen und es entsteht Dampf. Dieser Dampf enthält eine große Menge an gespeicherter Energie, welche anschließend an den Prozess oder in den zu beheizenden Raum übertragen wird. Dampf kann bei hohen Drücken erzeugt werden, um hohe Dampftemperaturen zu erhalten. Je höher der Druck ist, umso höher ist die Temperatur. Es ist mehr Wärmeenergie in Hochtemperaturdampf enthalten, somit ist auch sein Leistungspotential größer.

• Moderne Großraumwasserkessel sind vom Design her kompakt und effizient – mit mehreren Wendekammern und effizienter Brennertechnologie kann ein sehr hohen Anteil der im Brennstoff enthaltenen Energie bei minimalen Emissionen ans Wasser abzugeben werden.
• Der Kesselbrennstoff kann aus einer Vielzahl an Optionen ausgewählt werden, wie beispielsweise brennbare Abfälle. So wird der Dampfkessel zu einer umweltfreundlichen Alternative unter den Möglichkeiten, die für die Wärmebereitstellung zur Verfügung stehen. Für eine zentralisierte Kesselanlage können kostengünstige, unterbrechbare Gastarife verwendet werden – da jeder geeignete Reservebrennstoff für die Nutzung bevorratet werden kann, wenn die Gasversorgung einmal nicht zur Verfügung steht.
• Hoch effektive Wärmerückgewinnungssysteme können Absalzkosten nahezu eliminieren, wertvolles Kondensat an das Kesselhaus zurückgeben und zu der gesamten Effizienz des Dampf- und Kondensatkreislaufs beitragen.

Die steigende Beliebtheit von Kraft-Wärme-Kopplungssystemen zeigt die große Wertschäzung von Dampfsystemen in den umwelt- und energiebewussten Industrien von heute.

Dampf kann einfach und kostengünstig an den jeweiligen Einsatzort geleitet werden.

Dampf ist eines der am weit verbreitetsten Medien, um Wärme über weite Entfernungen hinweg zu übertragen. Da Dampf auf Grund eines Druckgefälles selbstständig durch die Leitung strömt, sind keine teuren Zirkulationspumpen notwendig.

Dank des hohen Wärmegehalts von Dampf werden nur vergleichsweise kleine Leitungen benötigt, um den Dampf bei hohem Druck zu verteilen. Der Druck wird dann, falls notwendig, am seinem Einsatzort reduziert. Somit ist die Installation einfacher und günstiger als bei einigen anderen Wärmeübertragungsmedien.

Im Allgemeinen führen die geringen Investitions- und Betriebskosten der Dampferzeugungs-, Dampfverteilungs- und Kondensatrückführungssysteme dazu, dass sich viele Nutzer dafür entscheiden, der Installation neuer Dampfsysteme den Vorzug vor anderen Energiemedien wie beispielsweise Gas-, Warmwasser-, elektrischen und Thermalölsystemen zu geben.

Dampf ist einfach zu regeln

Dank des direkten Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur des Sattdampfs ist die Menge der dem Prozess zugeführten Energie einfach zu regeln, indem man den Druck des Sattdampfs
erhöht oder mindert. Moderne Dampfregelungen sind dafür ausgelegt, sich sehr schnell an Prozessänderungen anzupassen.

Die in Abbildung 1.1.4 gezeigte Armatur ist ein typisches Zwei-Wege-Regelventil mit Pneumatikantrieb, das für den Dampfeinsatz entwickelt wurde. Seine Regelgenauigkeit wird durch die Verwendung eines pneumatischen Stellungsreglers verbessert.

Der Einsatz von Zwei-Wege-Ventilen anstelle von Drei-Wege-Ventile, wie sie in Flüssigkeitssystemen erforderlich sind, vereinfacht die Regelung und Installation und kann die Ausrüstungskosten verringern.

Die Energie kann einfach zu einem Prozess übertragen werden

Dampf bietet eine exzellente Wärmeübertragung. Wenn der Dampf die Anlage erreicht, überträgt der Kondensationsprozess die Wärme effizient zu dem jeweiligen Produkt.

Dampf kann das zu erwärmende Produkt umströmen oder in es injiziert werden. Er kann jeglichen Raum mit einer gleichmäßigen Temperatur ausfüllen und Wärme abgeben, indem er bei einer konstanten Temperatur kondensiert. So werden Temperaturgefälle vermieden, die sonst an Wärmeübertragungsoberflächen auftreten können. Dieses Problem besteht sehr oft bei Hochtemperaturöl- oder Heißwasserbeheizung und kann zu Qualitätsproblemen führen, wie beispielsweise einer Verformung der zu trocknenden Materialien.

Da die Wärmeübertragungseigenschaften von Dampf so hoch sind, ist die benötigte Wärmeübertragungsfläche relativ klein. Das ermöglicht den Einsatz kompakterer Aggregate, die leichter zu installieren sind und weniger Platz in der Anlage benötigen. Eine moderne, dampfbeheizte Heißwassererzeugungseinheit mit 1.200 kW benötigt inklusive Plattenwärmetauscher und kompletter Regelung nur 0,7 m² Standfläche. Zum Vergleich: Eine Station mit einem Rohrbündelwärmetauscher würde normalerweise eine zwei- oder dreimal so große Fläche benötigen.

Eine moderne Dampfanlage ist leicht zu überwachen 

Industrielle Energienutzer versuchen zunehmend, ihre Energieeffizienz zu maximieren und Produktions- und Gemeinkosten zu minimieren. Die Kyoto-Vereinbarung zum Klimaschutz ist ein bedeutender Einflussfaktor, der den Trend zur Energieeffizienz voranbringt. Sie hat zu verschiedenen Maßnahmen auf dem gesamten Globus geführt, wie beispielsweise die Klimaschutzabgabe in Großbritannien. Auch kann in den heutzutage hart umkämpften Märkten das Unternehmen mit den niedrigsten Kosten oft einen wichtigen Vorteil gegenüber der Konkurrenz erzielen. Produktionskosten können den Unterschied zwischen Überleben und Versagen auf dem Markt ausmachen.

Um das Bewusstsein für Energieeffizienz zu steigern, kann man beispielsweise den Energieverbrauch überwachen oder ihn den jeweiligen Abteilungen berechnen. So wird das Kostenbewusstsein erhöht und das Management dazu motiviert, ihre Ziele zu erfüllen. Variable Gemeinkosten können auch durch geplante und systematische Wartungen minimiert werden, was die Prozesseffizienz maximiert und Stillstandszeiten reduziert.

Die meisten Dampfregelungen können mit modernen, vernetzten Mess- und Regelsystemen verbunden werden. So wird eine zentralisierte Steuerung ermöglicht, wie beispielsweise im Falle eines SCADA- oder eines Gebäude-/Energiemanagementsystems. Wenn es der Nutzer möchte, können die Komponenten des Dampfsystems auch unabhängig voneinander arbeiten (Standalone-
Betrieb).

Bei ausreichender Wartung wird eine Dampfanlage viele Jahre lang halten und der Zustand zahlreicher Komponenten des Systems ist einfach automatisch zu überwachen. Im Vergleich zu anderen Systemen ist eine planmäßige Kontrolle und Überwachung von Kondensatableitern mit einem Überwachungssystem einfach zu realisieren. So werden jegliche Leckagen und Ausfälle automatisch lokalisiert und sofort dem Betreiber gemeldet.

Dies kann mit der kostspieligen Ausrüstung für die Überwachung von Gasleckagen verglichen werden – oder der zeitaufwendigen manuellen Überwachung von Öl- oder Wassersystemen.

Was noch hinzukommt: Bei der Wartung eines Dampfsystems ist der relevante Teil des Systems einfach abzuschalten und schnell zu entwässern. Dies bedeutet, dass Reparaturen sehr zügig durchgeführt werden können.

Bei zahlreichen Gelegenheiten hat sich gezeigt, dass es sehr viel günstiger ist, eine seit langem bestehende Dampfanlage mit zeitgemäßen Regelungs- und Überwachungssystemen zu modernisieren, als sie durch eine alternative Methode der Energieversorgung, wie beispielsweise einem dezentralisierten Gassystem, zu ersetzen. Die Fallstudien, auf die in Modul 1.2 Bezug genommen werden, liefern Beispiele aus der Praxis.

Die moderne Dampftechnologie von heute ist von der traditionellen Wahrnehmung als Medium der Dampfmaschinen aus der Zeit der industriellen Revolution weit entfernt. Tatsächlich ist Dampf in der Industrie heutzutage das bevorzugte Medium. Nennen Sie irgendeine bekannte Marke – in neun von zehn Fällen wird Dampf eine wichtige Rolle in der Produktion spielen.

Dampf ist flexibel

Dampf ist nicht nur ein exzellenter Wärmeträger, er ist auch steril und damit ideal für Prozessanwendungen in der Lebensmittel- und Getränke-, Pharma- und Gesundheitsindustrie. Er ist auch in Krankenhäusern für Sterilisationszwecke weit verbreitet.

Die Industrien, in denen Dampf zum Einsatz kommt, reichen von riesigen Öl- und Petrochemieanlagen bis hin zu kleinen regionalen Wäschereien. Weitere Einsatzmöglichkeiten finden sich beispielsweise bei der Herstellung von Papier oder Textilien, im Brauwesen, bei der Nahrungsmittelproduktion, der Aushärtung von Gummi und der Beheizung und Befeuchtung von Gebäuden.
Viele Nutzer finden es vorteilhaft, das Arbeitsmedium Dampf sowohl für die Beheizung von Räumen als auch für Prozessanwendungen einsetzen zu können. Im Brauwesen beispielsweise wird Dampf während verschiedener Prozessphasen auf unterschiedliche Arten verwendet – von der direkten Injizierung bis hin zur Erwärmung von Heizschlangen.

Dampf ist zudem eigensicher, da er keine Funken erzeugen kann und damit keine Brandgefahr darstellt. Viele petrochemische Anlagen verwenden Brandlöschsysteme auf der Basis von Dampf. Dieses Medium ist daher ideal für den Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen oder explosionsfähigen Atmosphären geeignet.

Weitere Methoden der Energieverteilung

Zu den Alternativen zu Dampf gehören Wasser- und Thermalmedien wie beispielsweise Hochtemperaturöl. Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile und ist je nach Anwendung oder Temperaturbereich besser geeignet.

Im Vergleich zu Dampf hat Wasser ein geringeres Potential, Wärme zu übertragen. Also müssen große Mengen an Wasser durch ein System gepumpt werden, um die Anforderungen an die Prozess- oder Raumbeheizung zu erfüllen. Jedoch ist Wasser für die Anwendung bei allgemeiner Raumheizung und bei Niedrigtemperaturprozessen (bis zu 120 °C) beliebt, bei denen gewisse Temperaturschwankungen toleriert werden können.

Thermalmedien wie beispielsweise Mineralöle können verwendet werden, wenn hohe Temperaturen (bis zu 400 °C) erforderlich sind, wo aber Dampf nicht zum Einsatz kommen kann. Dazu gehört beispielsweise das Erhitzen gewisser Chemikalien bei Chargenprozessen. Jedoch sind Thermalöle teuer und müssen alle paar Jahre ersetzt werden – sie sind für große Systeme nicht geeignet. Zudem sind sie sehr kriechfähig. Es sind Verbindungen und Anschlüsse von hoher Qualität notwendig, um Leckagen zu vermeiden.

Verschiedene Medien werden in der folgenden Tabelle 1.1.1 verglichen. Die schlussendliche Auswahl des Heizmediums hängt davon ab, eine Balance zwischen technischen, praktischen und finanziellen Aspekten zu erreichen, die für jeden Nutzer anders ausfallen wird.

Vereinfacht gesagt ist Dampf für die kommerzielle Erwärmung und Befeuchtung und industrielle Systeme die praktischste und wirtschaftlichste Wahl.