Grundlagen der Dampftechnik und Wärmeübertragung

Der Begriff Wärmetauscher betrifft grundsätzlich alle Arten von Geräten, bei denen die Wärmeübertragung von einem Medium auf ein anderes unterstützt wird. Ein Heizkörper in einer Wohnung, in dem heißes Wasser seine Wärme an die Umgebungsluft abgibt, kann als Wärmetauscher bezeichnet werden. In ähnlicher Weise kann ein Dampfkessel, in dem Verbrennungsgase ihre Wärme an Wasser abgeben, um eine Verdampfung zu erreichen, als befeuerter Wärmetauscher beschrieben werden.

Der Begriff wird jedoch oft speziell für Rohrbündel- oder Plattenwärmetauscher angewandt, bei denen ein Primärfluid wie Dampf dazu verwendet wird, eine Prozessflüssigkeit zu erwärmen. Ein Rohrbündelwärmetauscher, der Wasser für eine Raumbeheizung erwärmt (durch Einsatz von Dampf oder Wasser), wird oft als Durchlauferhitzer bezeichnet. (Ein Warmwasserspeicher, wie in Abbildung 2.13.1 dargestellt, ist anders konstruiert und besteht normalerweise aus einem Warmwasserspeichertank mit einer innenliegenden, primären Heizschlange.)

Hersteller geben für ihre Wärmetauscher oft eine Wärmeleistung in kW an und aus dieser kann, wie auch bei Luftheizregistern, der Dampfverbrauch ermittelt werden. Jedoch sind Wärmetauscher (insbesondere Rohrbündelwärmetauscher) oft zu groß für die Systeme, die sie versorgen müssen.

Ein Durchlauferhitzer (wie in Abbildung 2.13.2 dargestellt) wird normalerweise aus einer Standardbaureihe ausgewählt und hat oft eine viel größere Leistung als der Auslegungswert. Bei Warmwasserheizungen für Gebäude sind ggf. auch gewisse Sicherheitsfaktoren in den Wärmeleistungsberechnungen berücksichtigt.

Plattenwärmetauscher können auch aus einer Standardbaureihe ausgewählt sein, wenn die Apparate gelötet oder geschweißt sind. Bei der Auslegung von gedichteten Plattenwärmetauschern gibt es dagegen mehr Flexibilität, da bei diesen oft Platten hinzugefügt oder entnommen werden können, um die gewünschte Wärmeübertragungsfläche zu erreichen. In vielen Fällen sind Plattenwärmetauscher einfach deswegen überdimensioniert, um den Druckverlust für das sekundärseitige Fluid zu senken.

In einer bestehenden Anlage kann ein Anhaltspunkt für die aktuelle Leistung gewonnen werden, wenn der Durchsatz, die Rücklauftemperaturen und die Pumpenleistung bekannt sind. Es ist jedoch wichtig festzustellen, dass die auf dem Typenschild des Pumpenherstellers angegebene Durchsatzleistung wahrscheinlich auf einer Zulaufhöhe basiert, welche in der Praxis vorhanden sein kann oder auch nicht.

Dampfverbrauchsberechnungen von Wärmetauschern

Rohrbündel- und Plattenwärmetauscher sind typische Beispiele für Durchlaufanwendungen. Daher sollte bei der Bestimmung des Dampfverbrauchs für diese Anwendungen die Gleichung 2.6.5 verwendet werden.

Die Anfahrleistung kann vernachlässigt werden, wenn dieser Vorgang selten stattfindet, oder die Zeit, die es benötigt, um die Volllastleistung zu erreichen, nicht so wichtig ist. Wärmetauscher werden öfter auf die Volllastleistung ausgelegt, mit möglichen Zuschlägen von Sicherheitsfaktoren.

Wärmeverluste werden bei diesen Durchlaufanwendungen selten berücksichtigt, da sie wesentlich geringer als die Volllastleistung sind. Rohrbündelwärmetauscher sind in der Regel isoliert, um Wärmeverluste zu verhindern und mögliche Verletzungen des Personals zu vermeiden. Plattenwärmetauscher tendieren dazu, kompakter zu sein, und haben im Verhältnis zu der Größe des Gerätes eine viel kleinere Oberfläche, die der Umgebungsluft ausgesetzt ist.

Teil 2 Bestimmen Sie den Dampfverbrauch

Die Kondensationsmenge bei Volllast kann aus der linken Seite der Wärmebilanzgleichung 2.6.6 ermittelt werden:

Plattenwärmetauscher

Ein Plattenwärmetauscher besteht aus einer Reihe von dünnen, gerippten Metallplatten, welche eine Reihe von Kanälen bilden, wobei die Primär- und Sekundärfluide durch wechselnde Kanäle strömen. Die Wärmeübertragung vom Primärfluid Dampf auf das sekundärseitige Prozessfluid findet über benachbarte Kanäle über die Platte statt. Abbildung 2.13.3 zeigt eine schematische Darstellung eines Plattenwärmetauschers. 

Eine geriffelte Struktur aus Stegen erhöht die Steifigkeit der Platte und liefert einen größeren Widerstand gegen Differenzdrücke. Diese Struktur erzeugt zudem eine turbulente Strömung in den Kanälen, was die Effizienz der Wärmeübertragung steigert – was dazu führt, dass ein Plattenwärmetauscher kompakter als ein herkömmlicher Rohrbündelwärmetauscher ist. Die Erzeugung einer turbulenten Strömung verhindert auch die Entstehung von undurchströmten Bereichen und das wiederum reduziert Fouling. Die Platten sind normalerweise auf der Primärseite beschichtet, um eine Tropfenkondensation des Dampfes zu unterstützen.

Der Wärmetauschermarkt für Dampf wurde in der Vergangenheit von Rohrbündelwärmetauschern dominiert, wohingegen Plattenwärmetauscher oft in der lebensmittelverarbeitenden Industrie favorisiert und zur Wassererwärmung eingesetzt wurden. Neueste Designverbesserungen haben jedoch dazu geführt, dass Plattenwärmetauscher jetzt auch für Dampfanwendungen geeignet sind.

Ein Plattenwärmetauscher kann auch das Kondensieren und Unterkühlen von Kondensat in einem Apparat ermöglichen. Wenn das Kondensat in einen drucklosen Sammler entwässert wird, reduziert sich durch die Absenkung der Kondensattemperatur auch die Nachdampfmenge, welche durch die Entlüftung des Sammlers an die Atmosphäre verloren geht. Dadurch kann die Notwendigkeit eines separaten Unterkühlers und eines Nachdampfverwertungssystems entfallen.

Obwohl die nominale Wärmeübertragungsfläche theoretisch über die Gleichung 2.5.3 berechnet werden könnte, ist die Dimensionierung von Plattenwärmetauschern firmeneigen und wird normalerweise in Zusammenarbeit mit den Herstellern durchgeführt.

Gedichtete Plattenwärmetauscher (Platte- und Gestell-Wärmetauscher)

In einem gedichteten Plattenwärmetauscher sind die die Platten in einem Gestell miteinander verspannt, und eine dünne Dichtung (normalerweise ein synthetisches Polymer) dichtet jede Platte am Rand ab. Es werden neben den Platten angebrachte Spannbolzen eingesetzt, um das Plattenpaket zwischen Gestell- und Druckplatte zu verspannen. Dieses Design ermöglicht es, den Apparat zur Reinigung einfach zu öffnen und seine Leistung durch einfaches Hinzufügen oder Entfernen von Platten zu modifizieren.

Der Einsatz von Dichtungen ermöglicht einen höheren Grad an Flexibilität für das Plattenpaket und bietet somit einen gewissen Widerstand gegen thermische Ermüdung und plötzliche Druckänderungen. Dies macht einige Arten von gedichteten Plattenwärmetauschern zur idealen Wahl für unmittelbare Warmwasserbereitstellung durch Dampfbeheizung, wobei die Platten einer gewissen Anzahl von thermischen Wechselbeanspruchungen ausgesetzt sind.

Die Einsatzgrenze von gedichteten Plattenwärmetauschern wird durch den Betriebstemperaturbereich der Dichtungen vorgegeben, was zur einer Einschränkung des für den Apparat einsetzbaren Dampfdrucks führt.

Gelötete Plattenwärmetauscher

Bei einem gelöteten Plattenwärmetauscher werden alle Platten in einem Vakuumofen miteinander verlötet (normalerweise mit Kupfer oder Nickel). Er ist eine Weiterentwicklung gedichteter Plattenwärmetauscher und wurde entwickelt, um bei geringen Kosten einen höheren Widerstand gegen Druck und Temperatur zu bieten.

Im Gegensatz zu einem gedichteten Apparat kann ein gelöteter Plattenwärmetauscher allerdings nicht geöffnet werden. Falls eine Reinigung erforderlich ist, muss er entweder rückgespült oder chemisch gereinigt werden. Das bedeutet auch, dass diese Apparate in einem Standardgrößenbereich geliefert werden und demzufolge ist eine Überdimensionierung durchaus üblich.

Da der gelötete Wärmetauscher eine starrere Bauform als die gedichtete Ausführung hat, ist er durch seine unelastische Konstruktion auch anfälliger für thermische Ermüdung. Daher sollten plötzlich oder häufig auftretende Temperatur- oder Lastwechsel vermieden und der Regelung der Dampfseite entsprechende Beachtung geschenkt werden, um eine thermische Belastung zu vermeiden.

Gelötete Wärmetauscher sind besser für Anwendungen geeignet (und werden dafür vorrangig genutzt), bei denen Temperaturänderungen langsam erfolgen, wie zum Beispiel bei der Raumbeheizung. Sie können auch erfolgreich für Sekundärfluide, die sich allmählich ausdehnen, wie zum Beispiel Thermalöl, eingesetzt werden.

Geschweißte Plattenwärmetauscher

In einem geschweißten Plattenwärmetauscher wird das Plattenpaket über Schweißnähte zwischen den Platten zusammengehalten. Der Einsatz von Laserschweißtechnologie ermöglicht es, dass das Plattenpaket flexibler als ein gelötetes Plattenpaket ist und die verschweißte Einheit resistenter gegen Druckschwankungen und thermische Wechselbeanspruchungen wird. Die höheren Betriebstemperatur- und Betriebsdruckgrenzen der geschweißten Apparate führen dazu, dass diese Wärmetauscher normalerweise eine höhere Spezifikation haben und besser für Anwendungen in der Schwerindustrie geeignet sind. Sie werden oft dort eingesetzt, wo Hochdruckoder Hochtemperatureigenschaften gefragt sind, oder wenn zähfließende Medien wie Öl und andere Kohlenwasserstoffe erwärmt werden müssen.

Rohrbündelwärmetauscher

Der Rohrbündelwärmetauscher ist wahrscheinlich die gebräuchlichste Methode, um eine indirekte Wärmeübertragung für industrielle Prozessanwendungen bereit zustellen. Ein Rohrbündelwärmetauscher besteht aus einem Rohrbündel, welches in einem zylindrischen Behälter steckt. Die Enden der Rohre sind in Rohrböden fixiert, welche die Primär- und Sekundärfluide trennen.

Wenn kondensierender Dampf als Heizmedium eingesetzt wird, ist der Wärmetauscher normalerweise horizontal ausgerichtet und die Kondensation findet innerhalb der Rohre statt. Durch Unterkühlung kann auch zusätzliche Wärme aus dem Kondensat im Wärmetauscher gewonnen werden. Wenn aber der erforderliche Grad der Unterkühlung relativ hoch ist, ist es jedoch zweckmäßiger, einen separaten Kondensatkühler einzusetzen. 

Man spricht von „einem Manteldurchgang“, da sich Ein- und Auslass des Sekundärfluids an zwei verschiedenen Enden des Wärmetauschers befinden und das mantelseitige Fluid die Länge des Apparats demzufolge nur einmal durchströmt. Man spricht von „zwei Rohrdurchgängen“, weil sich Dampfeinlass- und Auslassanschluss am selben Ende des Wärmetauschers befinden, so dass das rohrseitige Fluid die Länge des Apparats zweimal durchströmt.

Eine Durchgangstrennung (auch Trennplatte oder Trennsteg genannt) teilt den Wärmetauschervorkopf so, dass das rohrseitige Fluid in das U-Rohrbündel umgelenkt wird, anstatt direkt durch den Vorkopf.

Das ist ein vergleichsweise einfaches und kostengünstiges Design, da nur eine Rohrplatte erforderlich ist, aber es ist auf den Einsatz relativ sauberer Fluide begrenzt, da die Rohre schwieriger zu reinigen sind. Hinweis: Es ist sehr aufwendig, ein einzelnes Rohr bei dieser Art von Wärmetauscher zu ersetzen.

Es werden normalerweise Umlenkbleche im Mantel vorgesehen, um die mantelseitige Fluidströmung über die Rohre zu leiten und damit die Wärmeübertragungsmenge zu verbessern und die Rohre abzustützen.

Anfahren aus dem kalten Zustand

Wie in Modul 2.7 erwähnt, kann die Anfahrleistung oft ignoriert werden, wenn das Anfahren selten stattfindet oder die Zeit bis zur Erreichung der Volllastleistung unkritisch ist. Aus diesem Grund findet man oft Regelventile und Wärmetauscher, die auf Volllast plus die üblichen Sicherheitsfaktoren ausgelegt sind.

Bei Systemen, welche über Nacht oder am Wochenende heruntergefahren werden, können die sekundärseitigen Wassertemperaturen beim Anfahren an einem kalten Wintermorgen sehr gering sein und die Kondensationsmengen, um den Wärmetauscher aufzuheizen, sind dann höher als bei Volllastbedingungen. Demzufolge kann der Druck im Dampfraum wesentlich unter dem Druck liegen, bei dem der Wärmetauscher normalerweise betrieben wird, solange bis die sekundärseitige Eintrittstemperatur auf ihren Auslegungswert angestiegen ist.

Aus thermischer Sicht stellt das wahrscheinlich kein Problem dar - das System benötigt einfach länger, um aufzuheizen. Wenn der Konstrukteur diese Situation allerdings nicht berücksichtigt hat, könnte ein ungeeignetes Kondensatableitungs- und Rückführsystem dazu führen, dass sich Kondensat im Dampfraum ansammelt.

Das kann Folgendes verursachen:

• Innere Korrosion.
• Mechanische Belastung auf Grund von Verformung.
• Geräusche durch Wasserschläge.

Das wird zu Problemen bei Wärmetauscher führen, die nicht dafür ausgelegt sind, solchen Bedingungen standzuhalten.

Abschätzung der Heizlast

Gebäude - Eine praxisnahe, subjektive Methode, um eine Heizlast abzuschätzen, ist es, das Gebäude selbst zu betrachten. Berechnungen können kompliziert sein, da sie Faktoren wie die Anzahl an Luftwechseln und Wärmedurchgangsmengen durch Mauerwerke, Fenster und Dächer beinhalten. Eine ausreichende Abschätzung kann jedoch normalerweise dadurch erlangt werden, indem man das gesamte Gebäudevolumen betrachtet und 30 - 40 W/m³ für einen Rauminhalt von bis zu 3 000 m³ und 15 - 30 W/m³ über 3 000 m³ansetzt. Das ergibt eine ausreichend genaue Abschätzung der Heizlast, wenn die Außentemperatur einen Auslegungswert von ungefähr -1 °C hat.

Ein zweckmäßiges Verfahren zur Bestimmung des Dampfverbrauchs für eine bestehende Installation ist der Einsatz eines genauen und verlässlichen Dampfmengenmessers.

Warmwasserspeicher

Warmwasserspeicher sind dafür ausgelegt, die Temperatur ihres gesamten Inhalts innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums aus dem kalten Zustand auf Speichertemperatur anzuheben. 

Die mittlere Menge an kondensierendem Dampf während der Aufheiz- oder Nutzphase kann durch Anwendung der Gleichung 2.13.1 berechnet werden:

Beispiel 2.13.2 Berechnen Sie den mittleren Dampfverbrauch eines Warmwasserspeichers

Ein Warmwasserspeicher hat eine Kapazität von 2 272 Litern (2 272 kg) und ist dafür ausgelegt, mit Dampf von 2 bar ü die Temperatur diese Wassers innerhalb einer ½ Stunde von 10 °C auf 60 °C anzuheben. c_p für Wasser = 4,19 kJ/kg °C

Dieser Mittelwert kann dazu verwendet werden, das Regelventil auszulegen. Wenn die Wassertemperatur jedoch ihren geringsten Wert hat, zum Beispiel 10 °C, könnte die große erforderliche Dampfmenge größer sein als das voll geöffnete Regelventil durchsetzen kann und die Heizschlange wird nicht genug Dampf erhalten. Der Druck in der Heizschlange wird erheblich absinken, mit der Folge, dass sich die Kapazität des Kondensatableiters reduziert. Wenn die Kondensatableitereinheit falsch ausgelegt oder ausgewählt ist, kann sich Kondensat in die Heizschlange zurückstauen und so ihre Fähigkeit vermindern, Wärme zu übertragen und die erforderliche Aufwärmzeit zu erreichen. Es könnten Wasserschläge auftreten, die starke Geräusche und eine mechanische Belastung der Heizschlange verursachen. Wenn jedoch nicht zugelassen wird, dass sich Kondensat in der Heizschlange zurückstaut, dann sollte das System dennoch die richtige Aufwärmzeit einhalten.

Die Lösung ist also, eine ausreichende Kondensatableitung zu gewährleisten. Das könnte in Abhängigkeit von den Anforderungen des Systems über einen Kondensatableiter oder automatische Pumpkondensatableiter erreicht werden. (Siehe Modul 13.1 - Kondensatableitung aus Wärmetauschern). 

Bei Verdampfern mit erzwungener Durchströmung wird das sekundärseitige Fluid durch den Wärmetauscher gepumpt, wohingegen bei Naturumlaufverdampfern eine natürliche Zirkulation durch Dichteunterschiede erreicht wird. Bei Kesselverdampfern gibt es keine Umwälzung des sekundärseitigen Fluids und die Rohre sind in einem Flüssigkeitsbad eingetaucht.