Grundlagen der Dampftechnik und Wärmeübertragung

Die berechnete Wärmeübertragungsfläche entspricht der Oberfläche der Heizschlange und sie ermöglicht es, eine geeignete Größe und Gestaltung zu bestimmen. 

Ermittlung des „U“- Wertes

Für die Berechnung der Wärmeübertragungsfläche muss ein Wert für den gesamten Wärmedurchgangskoeffizienten U gewählt werden. Dieser variiert abhängig von den thermischen und strömungstechnischen Eigenschaften beider Fluide und einigen anderen Bedingungen beträchtlich.

Auf der Produktseite der Heizschlange wird es eine thermische Grenzschicht geben, über die es ein Temperaturgefälle zwischen der Oberfläche und dem Fluid gibt. Wenn die Temperaturdifferenz relativ groß ist, werden die natürlichen Konvektionsströmungen erheblich und der Wärmedurchgangskoeffizient groß sein.

Unterstützende Zirkulation (wie Rühren), die eine erzwungene Konvektion erzeugt, wird auch in höheren Koeffizienten resultieren. Da die Konvektion teilweise von der Massenbewegung des Fluids abhängt, hat die Viskosität (welche sich mit der Temperatur ändert) auch eine wichtige Bedeutung für die thermische Grenzschicht.

Zusätzliche Schwankungen können auch auf der Dampfseite der Heizschlange auftreten, speziell bei langen Rohrleitungslängen. Der Heizschlangeneintritt könnte hohe Dampfgeschwindigkeiten aufweisen und relativ frei von Wasser sein. Weiter am Ende der Heizschlange jedoch kann die Geschwindigkeit geringer sein und die Heizschlange teilweise voll Kondensat stehen. Bei sehr langen Heizschlangen, wie sie manchmal in Hochseetankern oder großen Speichertanks anzutreffen sind, kann es zu einem erhebliche Druckverlust über die Länge der Heizschlange kommen. Um die mittlere Heizschlangentemperatur zu erreichen, wird ein durchschnittlicher Dampfdruck in Höhe von ungefähr 75 % des Eingangsdruckes verwendet. In extremen Fällen kann der verwendete durchschnittliche Druck nur 40 % des Eingangs-drucks betragen.

Eine weitere Variable ist das Material der Heizschlange selbst. Die thermische Leitfähigkeit des Heizschlangenmaterials kann beträchtlich schwanken. Der gesamte Wärmeübergang wird jedoch zu einem großen Teil von den Wärmewiderstandsfilmen bestimmt, und die thermische Leitfähigkeit des Heizschlangenmaterials ist nicht so bedeutend bei der Gesamtauswirkung. Tabelle 2.10.1 liefert typische gesamte Wärmedurchgangskoeffizienten für verschiedene Anwendungen von eingetauchten Dampfheizschlangen. U-Werte für Dampfdrücke zwischen 2 bar ü und 6 bar ü können durch Interpolation der Tabellenwerte ermittelt werden. 

Teil 2 Berechnen Sie die erforderliche Wärmeübertragungsfläche

Teil 3 Eine Empfehlung für die Heizschlangenoberfläche

Wegen der Problematik, genaue U-Werte zur Verfügung zu stellen, und um ein zukünftiges Fouling der Wärmeübertragungsfläche zu berücksichtigen, ist es üblich, 10 % auf die berechnete Wärmeübertragungsfläche aufzuschlagen

Teil 4 Den maximalen Dampfmassenstrom für die erforderliche Wärmeübertragungsfläche

Die größte Wärmeübertragung (und damit der Dampfbedarf) wird dann entstehen, wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem Dampf und dem Prozessfluid ihr Maximum erreicht hat, und es sollte eine zusätzliche Rohrleitungsfläche für Fouling berücksichtigt werden.

(A) Bestimmen Sie die maximale Heizleistung der Heizschlange Q̇_(Schlange)

(B) Dampfmassenstrom, um die 519 kW zu liefern

Teil 5 Eine Empfehlung für die Installation, einschließlich Heizschlangendurchmesser und -layout

(A) Bestimmen Sie den Durchmesser und Länge der Heizschlange

Es könnte sich schwierig gestalten, diese Länge für eine große Heizleitung in einem 3 m x 3 m Tank unter zu bringen.

Eine Lösung wäre eine Reihe paralleler Leitungen zwischen einem Dampfverteiler und einem Kondensatsammler zu verlegen, wobei diese auf verschiedenen Höhen sein müssen, um das Kondensat dazu zu bewegen, zum niedriger gelegenen Kondensatsammler zu fließen. Die Entwässerungsleitung muss vom Boden des Kondensatsammlers nach unten zum Kondensatableiter (oder Pump-Kondensatableiter) verlaufen.

Siehe Abbildung 2.10.1 für das vorgeschlagene Layout.

Beachten Sie, dass der Dampfeintritt an einem Ende des Verteilers angebracht ist, wogegen sich die Kondensatableiterbaugruppe am anderen Ende befindet. Das unterstützt die Dampfströmung und hilft dabei das Kondensat durch die Heizschlangen zu drücken.

Bei dieser Anwendung wären die Dampfverteiler und Kondensatsammler jeweils 2,8 m lang. Da der Kondensatsammler nur Kondensat beinhaltet, ist seine Wärminhalt verglichen mit dem Dampfverteiler gering und kann bei der Berechnung vernachlässigt werden.

Der Dampfverteiler sollte 100 mm Durchmesser haben, wie bei der vorangegangenen Geschwindigkeitsberechnung ermittelt wurde.

Das erzeugt eine Wärmeübertragungsfläche von: 2,8 m x 0.358 m²/m = 1.0 m²

Demzufolge sind immer noch 7 m² - 1 m² = 6 m² an Wärmeübertragungsfläche erforderlich und müssen über die Verbindungsleitungen gebildet werden.

Willkürlich eine DN 32 Leitung zu wählen ist ein guter Kompromiss zwischen Robustheit und Verarbeitbarkeit:

NACHPRÜFUNG

Es ist erforderlich, die Dampfgeschwindigkeit durch die Verbindungsleitungen zu überprüfen:

Basierend auf dem Proportionalverhältnis der Wärmeübertragungsflächen werden im Dampfverteiler kondensieren:

Andere Layouts für Dampfheizschlangen

Die Gestaltung und das Layout der Dampfheizschlange wird von dem zu beheizenden Prozessfluid abhängen. Falls das zu beheizende Prozessfluid eine korrosive Lösung ist, wird normalerweise empfohlen, die Anschlüsse für den Heizschlangeneintritt und -austritt über den Rand des Tanks zu führen, da es nicht ratsam ist, die korrosionsbeständige Beschichtung der Tankseiten zu durchbohren. Das stellt sicher, dass es keine Schwachstellen in der Tankbeschichtung gibt, was ein Risiko für ein Auslaufen der korrosiven Flüssigkeit darstellen könnte. In diesen Fällen wird auch die Heizschlange selbst aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff hergestellt sein, wie zum Beispiel bleibeschichteter Stahl, Kupfer oder Legierungen wie Titan.

Wenn kein Korrosionsrisiko besteht, sollten Steigleitungen über den Behälteraufbau vermieden und die Verbindungen für den Dampfeintritt und -austritt durch die Behälterseite geführt werden. Das Vorhandensein von irgendwelchen Steigleitungen hat einen Wasserrückstau in einem Teil der Heizschlangenlänge und damit mögliche Wasserschläge, Geräusche und undichte Rohrleitungen zur Folge. Dampfheizschlangen sollten generell ein Gefälle vom Eintritt zum Austritt aufweisen, um zu gewährleisten, dass das Kondensat zum Austritt fließt und sich nicht am Boden der Heizschlange sammelt.

Wenn eine Steigleitung nicht zu vermeiden ist, sollte sie so gestaltet sein, dass sie eine Form von Abschlusseinrichtung und ein kleines Tauchrohr hat, wie in Abbildung 2.10.2 dargestellt.

Die Abschlusseinrichtung erlaubt, dass sich eine kleine Menge Kondensat sammelt und wie eine Wasservorlage wirkt, die das Auftreten von Dampfabschluss verhindert. Ohne diesen Abschluss kann Dampf an dem Kondensat vorbeiströmen, das sich am Boden der Leitung gesammelt hat, und den Kondensatableiter am oberen Ende der Steigleitung abschließen.

Das Kondensatniveau würde dann ansteigen und eine kurzzeitige Wasservorlage bilden, welche den Dampf zwischen dem unteren Ende der Steigleitung und dem Kondensatableiter einschließt. Der Kondensatableiter bleibt so lange geschlossen, bis der eingeschlossene Dampf kondensiert ist. Währenddessen wird die Heizschlange weiter vom Kondensat verschlossen.

Wenn der Dampfabschluss kondensiert und der Kondensatableiter öffnet, wird ein Schwall Wasser in die Steigleitung abgelassen. Sobald die Wasservorlage zusammengebrochen ist, wird Dampf in die Steigleitung eintreten und den Kondensatableiter schließen, während die aufgebrochene Wassersäule nach unten fällt, um sich am Boden der Heizschlange zu sammeln.

Das Tauchrohr, mit kleinem Durchmesser dagegen wird nur einem sehr geringem Volumen an Dampf ermöglichen in der Steigleitung eingeschlossen zu werden. Es ermöglicht somit, dass die Wassersäule einfach aufrecht erhalten wird, ohne dass Dampf durch sie hindurchsprudelt, und stellt sicher, dass ein ständiger und gleichmäßiger Kondensatfluss zum Austritt vorhanden ist.

Wenn die Wasservorlage letztendlich zusammenbrechen sollte, wird ein kleines Wasservolumen in die Heizschlange zurückströmen, dann aber in den freien, großen Durchmesser der Steigleitung. Aber da die Abschlusseinrichtung nur ein kleines Kondensatvolumen benötigt, um eine Wasservorlage zu bilden, wird sich diese umgehend wieder aufbauen.

Falls der Prozess das Eintauchen von Gegenständen in eine Flüssigkeit beinhaltet, ist es vielleicht nicht zweckdienlich, die Heizschlange am Boden des Tank zu verlegen – sie könnte vielleicht durch das in die Lösung getauchte Objekt beschädigt werden. Bei bestimmten Prozessen setzen sich auch schwere Ablagerungen am Boden des Tanks ab und können die Heizfläche schnell bedecken und die Wärmeübertragung behindern.

Aus diesen Gründen werden in der Galvanikindustrie oft seitlich hängende Heizschlangen eingesetzt. In diesen Fällen werden Serpentinen- oder Plattenheizschlangen entlang der Tankseite nach unten verlegt, wie in Abbildung 2.10.3 dargestellt ist. Diese Heizschlangen sollen ebenfalls ein Gefälle in Richtung Boden zusammen mit einer Wasservorlage und einem Tauchrohr aufweisen. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass sie oft leichter zu installieren und auch zu entfernen ist, falls wiederkehrende Reinigung erforderlich ist.

Falls Gegenstände in den Tank eingetaucht werden müssen, ist es vielleicht nicht möglich, erzwungene Konvektion durch irgendwelche Rühreinrichtungen zu erzeugen und auftretende Temperaturgefälle innerhalb des Tanks zu verhindern. Egal ob am Boden oder seitlich verlegte Heizschlangen verwendet werden, ist es notwendig, dass sie eine ausreichende Flächenabdeckung haben, so dass die Wärme gleichmäßig über den Großteil der Flüssigkeit verteilt wird.

Der Durchmesser der Heizschlange sollte eine ausreichende Gesamtlänge für eine gute Verteilung liefern. Eine kurze Heizschlange mit einem großen Durchmesser wird gegebenenfalls nicht für eine angemessene Temperaturverteilung sorgen. Eine sehr lange Heizschlange dagegen wird vielleicht ein Temperaturgefälle auf Grund des Druckverlustes von ihrem Anfang bis zu ihrem Ende erfahren, was in einer ungleichmäßigen Beheizung der Flüssigkeit resultiert.

Auch wenn die nächsten zwei Kapitel „Bemessung des Regelventils“ und „Die Kondensatableitung“ in diesem Modul beinhaltet sind, sollte ein noch unerfahrener Leser für ausführliche und umfassende Informationen auf spätere Blöcke und Module zurück- greifen, bevor er versucht, Ausrüstungsteile zu bemessen und auszuwählen.

Das Auslegungsdiagramm für Dampfventile zeigt, dass ein Kv-Wert von 2 erforderlich ist, um 85 kg/h bei 2,6 bar ü vor dem Regelventil und Betrieb bei kritischem Druckverlust durchzusetzen.

Ein KE-Ventil DN 15 (Kvs = 4) und ein Kolbenventil DN 25 (Kvs = 18,6), welche zusammen arbeiten, können die Anfahrleistung bereitstellen. Das größere Ventil würde so eingestellt werden, dass es schließt, wenn die Solltemperatur fast erreicht ist, und dem kleineren Ventil es so ermöglicht, gut zu regeln.

Die Wärmeübertragungsfläche (die Oberfläche der Kesselwandung) kann mit Hilfe der Gleichung 2.5.3 und den gesamten Wärmedurchgangskoeffizienten aus Tabelle 2.10.4 in der gleichen Art und Weise wie bei Heizschlangen berechnet werden.

Obwohl Dampfheizmäntel auf Grund der Abstrahlungsverluste an die Umgebung allgemein thermisch weniger leistungsfähig sind als eingetauchte Heizschlangen, ermöglichen sie es, dass der Kesselinhalt umgerührt werden kann und somit die Wärmeübertragung unterstützt wird. Die in Tabelle 2.10.4 aufgeführten U-Werte gelten für moderates, nicht wandnahes Rühren.

Normalerweise sind die Kesselwände aus Edelstahl oder glasbeschichtetem Stahl hergestellt. Die Glasbeschichtung liefert einen zusätzlichen korrosionsbeständigen Überzug. Die Größe des Dampfheizmantelraumes hängt von der Größe des Kessels ab, aber die übliche Breite bewegt sich zwischen 50 mm und 300 mm.