Grundlagen der Dampftechnik und Wärmeübertragung

Durchlauferhitzer

Wie bei Luftheizregistern geben die meisten Hersteller von Durchlauferhitzern üblicherweise eine Leistung für ihre Geräte an, und der Dampfverbrauch kann durch Division der kW-Leistung durch die Verdampfungsenthalpie bei Betriebsdruck ermittelt werden, um das Ergebnis in kg/s zu erhalten (siehe Gleichung 2.8.1). Wärmetauscher sind jedoch häufig für die Systeme, welche sie beliefern, zu groß, weil:

• Die anfänglichen Heizleistungsberechnungen für das zu beliefernde Gebäude werden vielfältige und allzu vorsichtige Sicherheitsfaktoren beinhalten.
• Der Durchlauferhitzer selbst wird aus einer Standardreihe ausgesucht worden sein, indem die erste Größe über der berechneten Leitung ausgewählt wurde.
• Der Wärmetauscherhersteller wird bereits seinen eigenen Sicherheitsfaktor bei dem Apparat berücksichtigt haben.

Eine Abschätzung der aktuellen Leistung für jedem Betriebspunkt kann dann erfolgen, wenn der Durchsatz, die Rücklauftemperaturen und die Pumpenleistung bekannt sind. Beachten Sie jedoch, dass die Förderhöhe auf der Austrittsseite den Durchsatz der Pumpe beeinflusst, und diese ist nicht immer konstant.

Beispiel 2.14.2

Warmwasser wird mit 4 l/s (Vor-/Rücklauf = 82/71 °C) in einem Heizsystem umgewälzt.

Bestimmen Sie die Heizleistung:

• Heizleistung = Volumenstrom Wasser x spezifische Wärmekapazität Wasser x Temperaturänderung
  Heizleistung = 4 l/s x 4,19 kJ/kg °C x (82 - 71 °C)
• Heizleistung = 184 kW

Eine Alternativmethode zur Abschätzung der Leistung eines Durchlauferhitzers ist die Betrachtung des zu beheizenden Gebäudes. Die Berechnungen der Heizleistung können auf Grund folgender Faktoren schwierig sein:

• Luftwechsel
• Wärmeübertragungsmengen durch Wände, Fenster und Dächer

Eine ausreichend genaue Abschätzung kann jedoch dadurch erzielt werden, indem man das Volumen des Gebäudes betrachtet und eine Heizleistung von 30 W/m³ ansetzt. Das ergibt die Betriebsleistung für eine Innentemperatur von 20 °C, wenn die Außentemperatur etwa -1 °C beträgt.

Typische Vor- und Rücklauftemperaturen für:

• Niedrigtemperaturwarmwassersysteme (LTHW) sind 82 °C und 71 °C (∆T = 11 °C)
• Mitteltemperaturwarmwassersysteme (MTHW) sind 94 °C und 72 °C (∆T = 22 °C)

Die Werte für Hochtemperaturwarmwassersysteme (HTHW) können beträchtlich schwanken und müssen für jede einzelne Anwendung geprüft werden.

Beispiel 2.14.3

Der Dampfdurchsatz durch einen Durchlauferhitzer wurde mit 227 kg/h gemessen, wobei die Außentemperatur 7 °C und die Innentemperatur 18 °C beträgt.

Bestimmen Sie den ungefähren Dampfdurchsatz, wenn die Außentemperatur auf - 1 °C fällt und die Innentemperatur 19 °C beträgt. Das kann über die Proportionalität berechnet werden.

Warmwasserspeicher

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

Typische Werte für Großbritannien:

• Kaltwassertemperatur 10 °C
• Warmwassertemperatur 60 °C

Aufwärmzeit (oder auch Ladezeit genannt) = 1 Stunde

Die zu erwärmende Wassermasse kann aus dem Volumen des Kessels ermittelt werden.

(Für Wasser ist die Dichte ρ = 1 000 kg/m³ und die spezifische Wärmekapazität cp = 4,19 kJ/kg °C)

Beispiel 2.14.4

Ein Warmwasserspeicher besteht aus einem zylindrischen Behälter von 1,5 m Durchmesser und 2 m Höhe. Der Kesselinhalt soll innerhalb einer Stunde auf 60 °C erwärmt werden.

Die anfängliche Wassertemperatur beträgt 10 °C und der Dampfdruck 7 bar ü.

Bestimmen Sie den Dampfmassenstrom:

Trockenzylinder

Trockenzylinder unterscheiden sich in ihrer Gestaltung und Anwendung erheblich und damit auch in ihrem Dampfverbrauch.

Neben den vielfältigen Variationen in Bezug auf Größe, Dampfdruck und Betriebsgeschwindigkeit können diese Zylinder, wie bei Textilzylindertrocknern, über den Rahmen der Maschine entwässert werden, oder über eine Art Durchblasesystem im Falle von Hochgeschwindigkeitspapiermaschinen. Dementsprechend nutzen Filmtrockner oder langsam laufende Papiermaschinen einzelne Kondensatableiter an jedem Zylinder. Der Bedarf wird von geringen Leerlaufleistungen eines Zylinders zur Trocknung von Baumwollfäden bis zu sehr großen Mengen am nassen Ende einer Papiermaschine oder in einem Filmtrockner reichen.

Daher können genaue Angaben nur durch Messung bestimmt werden. Es werden jedoch zuverlässige Formeln verwendet, welche es ermöglichen, den Dampfverbrauch innerhalb annehmbarer Grenzen abzuschätzen.

Im Falle von Textilzylindertrocknermaschinen führt die Zylinderanzahl und die Bestimmung des Umfangs und der Breite jedes Einzelnen zur gesamten Wärmeübertragungsfläche. Die beiden Enden jedes Zylinders sollten einbezogen und 0,75 m² pro Zylinder addiert werden, um Sammler und Gestelle zu berücksichtigen, außer wenn eine individuelle Entwässerung verwendet wird. Die Strahlungsverluste der stillstehenden Maschine, gemessen in kg Dampf pro Stunde, können durch Multiplikation der Gesamtoberfläche mit dem Faktor 2,44 abgeschätzt werden. Die Betriebslast in kg pro Stunde wird durch die Verwendung des Faktors 8,3 ermittelt. (Bei imperialen Maßeinheiten wird die Fläche in Quadratfuß (square feet) gemessen und die Faktoren sind entsprechend 0,5 und 1,7). Diese Faktoren gelten für Maschinen, welche Meterware mit einer Geschwindigkeit von 64 bis 73 Metern pro Minute (70 bis 80 Yards pro Minute) trocknen, aber mit Zuschlägen können sie auch für Maschinen, welche unter anderen Bedingungen arbeiten, verwendet werden. 

Die Faktoren in der obigen Gleichung sind aus Erfahrungswerten abgeleitete Konstante:

1,5 = Für Zylindertrockner anzusetzender Faktor.

2 550 = Durchschnittlich erforderliche Wasserenthalpie + Verdampfungsenthalpie, um die Feuchtigkeit zu verdampfen.

1,26 = Durchschnittliche Wärmekapazität des Materials

Trockenzylinder tendieren auf Grund des immensen Dampfraumes und der zu beheizenden Metallmasse dazu, eine sehr große Anfahrleistung zu haben, und die Menge der dreifachen Betriebsleistung sollte für die Auslegung der Kondensatableiter berücksichtigt werden. Man muss auch daran denken, dass Luft bestimmte Schwierigkeiten wie verlängerte Aufwärmzeiten und ungleiche Oberflächentemperaturen verursachen kann. Daher müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, um Luft aus den Zylindern abzuleiten

Pressen

Ähnlich wie bei Trockenzylindern gibt es Pressen in allen Formen, Größen und Betriebsdrücken und sie werden für viele Einsatzzwecke, wie beispielsweise das Formpressen von Kunststoffpulver, die Herstellung von Laminaten, die Autroreifenproduktion (siehe Abb 2.14.4) und Fertigung von Sperrholz, eingesetzt. Sie beinhalten teilweise auch einen Kühlzylinder.

Selbstverständlich wäre es schwierig, die Dampfleistungen genau auszurechnen, und die einzige Möglichkeit, verlässliche Ergebnisse zu erhalten, ist durch Messung.

Dies Art von Anlagen können „offen“ sein und Strahlungsverluste an die Atmosphäre zulassen, oder „geschlossen“, wenn die beiden Heizflächen durch das Produkt praktisch voneinander isoliert sind. Obwohl auch von dem Produkt Wärme aufgenommen wird, ist im Endergebnis der Dampfverbrauch nahezu derselbe, egal ob die Anlage arbeitet oder steht, obwohl beim Öffnen und Schließen Schwankungen auftreten können.

Der Dampfverbrauch kann zum Teil über die Verwendung der grundlegenden Wärmeübertragungsgleichung 2.5.3 abgeschätzt werden:

Zum Teil können die in Abbildung 2.9.1 dargestellten U-Werte verwendet werden. Sie können im Falle großer Plattenpressen annehmbare Ergebnisse liefern, sind aber weniger genau, wenn eine kleine Anzahl komplex geformter Pressformen betrachtet wird, hauptsächlich deshalb, weil es schwer ist, ihre Oberfläche abzuschätzen.

Eine Besonderheit dieses Anlagentyps ist der kleine Dampfraum und die relativ hohe Dampfleistung beim Erwärmen aus dem kalten Zustand. Um dieser Tatsache und den Leistungsschwankungen Rechnung zu tragen, sollten Kondensatableiter mit dem Faktor zwei auf die Betriebslast ausgelegt werden. Die Temperaturregelung kann durch den Einsatz pilotgesteuerter, direkt wirkender Reduzierventile, welche einen konstanten und gleichbleibenden, der erforderlichen Oberflächentemperatur entsprechenden Dampfdruck erzeugen, sehr genau sein. Sie sind einfach auf Basis der Auslegungsdampfleistung zu dimensionieren. 

Begleitheizungsleitungen

Rohrleitungen, welche zähfließende Fluide fördern, werden häufig mit Hilfe von Dampfbegleitheizungen auf erhöhter Temperatur gehalten. Diese bestehen normalerweise aus einer oder mehrerer Dampfleitungen kleinen Durchmessers, welche neben der Produktleitung verlaufen, und das Ganze ist mit einer Isolierung versehen.

Theoretisch ist die genaue Berechnung des Dampfverbrauches schwierig, da sie von Folgendem abhängt:

• Die Kontaktstärke zwischen den beiden Leitungen und ob Wärmeleitpasten verwendet werden.
• Die Temperatur des Produktes.
• Die Länge, die Temperatur und der Druckverlust der Begleitheizungsleitungen.
• Die Umgebungstemperatur.
• Die Windgeschwindigkeit.
• Der Emissionsgrad der Isolierung. 

In der Praxis kann man normalerweise davon ausgehen, dass die Begleitheizungsleitung nur Strahlungsverluste der Produktleitung selbst ausgleicht. Auf dieser Basis kann der Dampfverbrauch einer Begleitheizungsleitung als die Betriebsleistung angesetzt werden, welche den Strahlungsverlusten der Produktleitung entspricht.

Tabelle 2.14.1 gibt die Wärmeverluste isolierter Leitungen mit entweder 50 oder 100 mm Isolierung an.

Beispiel 2.14.5

Eine 50 m lange Leitung DN 200 beinhaltet ein flüssiges Produkt bei 120 °C. Die Umgebungstemperatur beträgt 20 °C, die Leitung hat eine Isolierung von 50 mm und der Dampf wird mit 7 bar ü an die Begleitheizung(-en) geliefert.

Bestimmen Sie den Dampfverbrauch:

Für ummantelte Leitungen kann angenommen werden, dass die Wärmeverluste denen der Dampfleitung entsprechen, welche etwa den gleichen Durchmesser wie der Mantel hat. Zudem muss auch jegliche Isolierung berücksichtigt werden.

Wenn Kondensatableiter dimensioniert werden, sollte die zweifache Betriebslast angesetzt werden, um die Anfahrlast abzudecken, wogegen alle Temperaturregelventile so ausgelegt werden können, dass sie die Auslegungslast abdecken.

Dimensionierung der Begleitheizungsleitung

Das Beispiel 2.14.5 berechnet die Leistung der Dampfbegleitheizung auf Basis der Wärmeverluste der Leitung.

In der Praxis wird die Begleitheizungsleitung nicht exakt so ausgelegt, dass sie diesen Wärmeverlust abdeckt. Tabelle 2.14.2 stellt die nutzbare Heizleistung von DN15 und DN20 Stahl- und Kupferbegleitheizungsleitungen dar, welche bei verschiedenen Drücken entlang der Produktleitung bei verschiedenen Temperaturen verlaufen. Diese Tabelle berücksichtigt Wärmeverluste der Begleitheizungsleitung durch die Isolierung hindurch an die umgebende Luft.

Im Beispiel 2.14.5 betrug der Wärmeverlust der Leitung 97 W/m. Die Begleitheizungsleitung muss in der Lage sein, mindestens diese Wärmeübertragungsmenge zu liefern.

Tabelle 2.14.2 zeigt durch Interpolation, dass die nutzbare Wärmeleistung einer DN15 Begleitheizungsleitung aus Stahl bei einer Produkttemperatur von 120 °C und einem Dampfdruck von 5 bar ü 33 W/m beträgt.

Die Anzahl der erforderlichen Begleitheizungsleitungen, um die Produkttemperatur von 120 °C aufrechtzuerhalten, beträgt daher:

Daher werden wie in Abbildung 2.14.9 dargestellt drei DN15 Begleitheizungsleitungen aus Stahl für diese Anwendung benötigt..