Wärmerückgewinnung mit Dampf

Bei der Übertragung von Wärme aus einem flüssigen Medium, wie zum Beispiel Warmwasser oder Thermoöl, wird die fühlbare Wärme des Mediums genutzt. Die Flüssigkeit wird dem Wärmetauscher mit erhöhter Temperatur zugeführt. Wenn die Flüssigkeit Wärmeenergie abgibt, sinkt ihre Temperatur und sie verlässt den Wärmetauscher mit einer niedrigeren Temperatur. Dampf wird im Allgemeinen in gesättigten (nassen) und überhitzten (trockenen) Dampf unterteilt. Dampf entsteht, wenn alle Wassermoleküle in gasförmigem Zustand bei einer Temperatur verbleiben, die dem Dampfdruck entspricht. Er wird daher auch „gesättigter Dampf“ genannt (bei weiterer Erhitzung wird er zu überhitztem Dampf).

Der Hauptunterschied zwischen Dampf und Wasser oder Thermoöl besteht in seinem dampfförmigen Zustand. Dies bzw. die Tatsache, dass Dampf über den Siedepunkt erhitztes Wasser ist, hat mehrere Vor- und Nachteile für die Prozesse, die Apparate und Geräte, die den Prozess erzeugen und steuern.

Sowohl bei Dampf- als auch bei Flüssigkeitswärmerückgewinnungssystemen kann sich die Eintrittstemperatur des Sekundärmediums in den Wärmetauscher im Laufe der Zeit ändern, was eine Regelvorrichtung im System erfordert. Das bedeutet, dass, um die Austrittstemperatur des Sekundärmediums konstant zu halten, auch die dem Wärmetauscher zugeführte Wärme variieren muss. Dies kann beispielsweise durch ein Regelventil auf der Primärseite des Wärmetauschers erreicht werden.

Wärmerückgewinnung mit Dampf kann als der Prozess definiert werden, bei dem Wärme, die normalerweise verschwendet würde, aufgefangen und an einen Dampferzeuger übertragen wird. Die Abwärme wird in Dampf umgewandelt und an ein Gerät oder einen Prozess geliefert, wo sie als effektive, wirtschaftliche und umweltfreundliche Wärmeenergie genutzt werden kann.

Im Allgemeinen bedeutet Heizsystem mit Dampf, dass Dampf dem Wärmetauscher in gasförmigem Zustand zugeführt wird. Bei der Wärmeübertragung mit gesättigtem Dampf wird die latente Wärme des Dampfes genutzt und bei der Kondensation (Übergang in den flüssigen Zustand) wird eine große Menge Energie freigesetzt.

Dampf ermöglicht eine Wärmeübertragung bei konstanter Temperatur, was bei einer Wärmeübertragung im flüssigen Zustand nicht möglich ist.

Nachfolgend beschreiben wir einige Vor- und Nachteile von Dampfsystemen gegenüber Wärmeübertragungssystemen mit Thermoöl.

Vor- und Nachteile von Dampfsystemen

A. Die Vorteile von Dampfsystemen

Zunächst einmal ist die Menge der freigesetzten latenten Wärme 2 bis 5 Mal größer als die Menge der fühlbaren Wärme, die nach der Kondensation von heißem Wasser (gesättigtem Wasser) verfügbar ist. Diese latente Wärme wird automatisch freigesetzt und über die Wärmeübertragungsfläche an das zu erhitzende Produkt übertragen. Durch die Kondensation strömen Dampf und flüssiges Kondensat natürlich gegen die Wärmeübertragungsfläche und unterstützen die Wärmeübertragung. Im Gegensatz dazu übertragen Heißwasser- und Thermoölsysteme die Wärme durch Konvektionserwärmung, die bei der Erwärmung des Mediums keine Zustands- oder Phasenänderung verursacht.

Ein weiterer Vorteil von Dampf besteht darin, dass für die Verdampfung Energie benötigt wird, die beim Wechsel des Dampfzustands von Dampf zu Flüssigkeit (Kondensation) zurückgewonnen werden kann, d. h. die beim Verdampfen angesammelte Energie wird genutzt, indem sie bei der Kondensation wieder freigesetzt wird. (Die Energie, die bei der Kondensation freigesetzt werden kann, wird als latente Wärme bezeichnet.)

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Dampfförderung ohne Pumpen erfolgt, entweder durch die Schwerkraft aufgrund der geringen Dichte oder durch die Druckdifferenz bei der Dampferzeugung und -expansion.

Dadurch entfällt der Einsatz von Pumpen und der Verbrauch elektrischer Energie. Soll das Wasser hingegen wiederverwendet werden, muss das Kondensat wieder in das Speisewassersystem gepumpt werden.

Die Wärmeübertragung in einem Wärmeübertragungssystem mit flüssigen Wärmeträgern wäre jedoch aufgrund der ausschließlichen natürlichen Zirkulation extrem langsam. Daher muss eine Pumpe verwendet werden, um eine Strömung gegen die Wärmeübertragungsoberfläche zu erzeugen und so die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Dies wird als erzwungene Konvektionswärmeübertragung bezeichnet.

Zudem besteht zwischen Dampfein- und -austritt ein sehr geringer Temperaturunterschied. Dies kann überall dort ein großer Vorteil sein, wo geringe Temperaturunterschiede über eine gewisse Heizfläche erforderlich sind (z. B. bei Pressplatten). Dieser Vorteil relativiert sich, sobald die latente Kondensationswärme genutzt werden soll, da die Kondensattemperatur unter 100°C liegt.

B. Die Nachteile von Dampfsystemen

Nachteilig ist allerdings, dass bei hohen Temperaturen ein hoher Druck nötig ist. So liegt der Druck von Sattdampf bei 300°C bereits bei über 85 bar, während Thermoöl Temperaturen bis 400°C meist drucklos übertragen kann.

Die Tatsache, dass die gesamte Anlage auf Dampfdruck ausgelegt sein muss, kann bei erforderlichen hohen Temperaturen zu enormen Mehrkosten führen.

Ein weiterer deutlicher Nachteil ist, dass zur Dampferzeugung ein zusätzlicher Raum oberhalb des Wasserspiegels benötigt wird, in dem sich der Wasserdampf festsetzen kann. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit eines größeren Apparates und außerdem werden Dampferzeuger meist horizontal installiert, da sich bei vertikaler Installation ein Dampfraum nur schwer realisieren lässt. Wird die Wärme aus heißer Luft oder Gasen gewonnen, erfordert dies mehr Arbeit, höhere Kosten und mehr Platz für die Installation von Leitungen usw.

Des Weiteren ist Dampf komprimierbar. Daher wird im Dampfraum viel mechanische Energie gespeichert, die durch die Kompression entsteht. Dies führt zu einem erhöhten Schadenspotential und kann im Vergleich zu flüssigen Wärmeträgermedien zusätzliche Sicherheitseinrichtungen erfordern.

Zudem werden bei der Verdunstung im Wasser enthaltene Mineralien und Sauerstoff freigesetzt und konzentrieren sich an der Wasseroberfläche. Dadurch kann es neben Korrosion auch zu Ablagerungen auf der Heizfläche, sogenanntem Kesselstein, kommen, die den Wärmeübergang innerhalb der Heizfläche und des Wassers vermindern.

Abhängig von der Temperatur auf der Heißseite kann es zu korrosiver oder thermischer Zersetzung des Oberflächenmaterials kommen, sogar Schäden an den Wärmetauscherrohren können auftreten.

In Kombination mit der hohen mechanischen Energie, die im Dampfraum gespeichert wird, kann ein hohes Schadenspotential entstehen. Dies macht eine ständige Überwachung der Speisewasserqualität erforderlich und erfordert in den meisten Fällen eine Demineralisierung und Entgasung des Wassers. Dies wiederum verursacht zusätzliche Kosten für Apparate und Betriebsmittel (siehe Chemikalien).

Auch wenn die chemische Wasseraufbereitung die Gefahr von Ablagerungen verringert, werden bei der Verdampfung dennoch Mineralien freigesetzt. Diese Mineralien haben eine höhere Dichte als Wasser und konzentrieren sich in Form von Schlamm am Boden des Dampferzeugers.

Die Nitrate, die eine etwas geringere Dichte als Wasser haben, konzentrieren sich an der Wasseroberfläche. Die Ablagerungen am Boden des Dampferzeugers müssen häufig durch Abschlämmen entfernt werden.

Die Nitratkonzentration wird mit einer Leitfähigkeitselektrode gemessen und entsprechend an der Wasseroberfläche abgegeben.

Diese Maßnahmen führen zu kontinuierlichen Wasserverlusten, selbst wenn das Kondensat vollständig zurückgeführt wird. Die Wasserverluste müssen durch eine kontinuierliche Zufuhr von frischem, demineralisiertem und desoxidiertem Wasser ausgeglichen werden, was zu Energieverlusten führt, da das Frischwasser erwärmt werden muss.

Die Rückführung des Kondensats erfordert besondere Sorgfalt. Die Verwendung von Kondensatabscheidern, die richtige Neigung der Rohre usw. stellen ein zusätzliches Betriebsrisiko dar. Wenn das System nicht richtig ausgelegt ist, kann Dampfschlag (Dampf nimmt das Wasser auf, bildet einen „Schlacken“ und schleudert diesen mit hoher Geschwindigkeit in eine Rohrverbindung, was ein lautes Hämmern erzeugt und das Rohr stark beansprucht) zu kleineren Schäden an den Rohren oder sogar zu Totalschäden an einem Wärmetauscher und/oder einem Abwärmekessel und Pumpen führen.

Schließlich sind Dampfsysteme aufgrund der oben beschriebenen Fakten relativ komplex. Daher erfordert die Verfahrenstechnik, die Apparatur sowie auch der Betrieb eines Dampfsystems hochqualifiziertes und erfahrenes Fachpersonal, um einen sicheren und störungsfreien Betrieb zu gewährleisten.

Beispiele für Prozesse, bei denen Dampf-Wärmerückgewinnungssysteme eingesetzt werden können;

Dampfmantelheizungen werden häufig in Prozessanlagen zum Heizen von Geräten wie Tanks, Kesseln, Trocknern, Reaktoren und emaillierten Behältern verwendet. Durch die direkte Dampfeinspritzung bietet die Heizung die präziseste und energieeffizienteste Methode, das Mantelwasser auf die gewünschte Temperatur zu erhitzen. Dieses System funktioniert, indem Dampf direkt in den Mantel eingespritzt wird, um eine effiziente Energieübertragung des Dampfes zu gewährleisten, der sofort von der Flüssigkeit absorbiert wird.

Vakuumdampftrocknung ist ein Wärmeübertragungsverfahren zum Entfernen von Feuchtigkeit aus einem nassen Feststoff oder Produkt. Es wird im Allgemeinen zum Erhitzen und Trocknen hygroskopischer und wärmeempfindlicher Substanzen verwendet und basiert auf dem Prinzip der Erzeugung eines Vakuums mittels einer Vakuumpumpe, um den Kammerdruck unter den Dampfdruck von Wasser zu senken.

Die Befeuchtung durch Dampfbefeuchter wird eingesetzt, wenn ein bestimmtes Feuchtigkeitsniveau aufrechterhalten werden muss, um die Materialeigenschaften zu erhalten und eine angenehme und gesunde Umgebung für Arbeiter oder Bewohner zu gewährleisten. Wenn die kalte Luft durch die Dampfschlangen erhitzt wird, sinkt die relative Luftfeuchtigkeit der Luft und muss dann auf ein normales Niveau eingestellt werden, indem dem nachgeschalteten Luftstrom eine kontrollierte Einspritzung von trockenem, gesättigtem Dampf hinzugefügt wird.

Durch Abwärmerückgewinnung erzeugter Dampf kann direkt in einer Dampfturbine zur Stromerzeugung genutzt werden.