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Armaturen / Dichtungen

Ableitung nach Maß

08.02.2007 | Autor / Redakteur: Redaktion PROCESS /

Anlagen mit Wasserdampf als Energieträger sind auf Grund der guten Wärmeübertragungseigenschaften des Dampfes weit verbreitet. Neben den Hauptkomponenten wie Kesseln, Wärmetauschern und Rohrleitungen sind die Armaturen von großer Bedeutung: Sie sorgen für ein zuverlässiges Absperren, Regeln, Sichern und Ableiten des Mediums.

Anlagen mit Wasserdampf als Energieträger sind auf Grund der guten Wärmeübertragungseigenschaften des Dampfes weit verbreitet. Neben den Hauptkomponenten wie Kesseln, Wärmetauschern und Rohrleitungen sind die Armaturen von großer Bedeutung: Sie sorgen für ein zuverlässiges Absperren, Regeln, Sichern und Ableiten des Mediums.

Wasserdampf existiert in Dampfanlagen fast immer gleichzeitig in den beiden Aggregatzuständen „gasförmig“ und „flüssig“, da sich an den kühleren Innenwandungen der Komponenten und Rohrleitungen permanent Kondensat bildet. Trifft heißer Dampf auf größere Kondensatansammlungen, können durch die plötzliche Verdampfung teils heftige Wasserschläge mit starken Druckstößen entstehen. Bei Armaturen besteht dann die Gefahr der Beschädigung im Inneren bis hin zum völligen Funktionsausfall, Dichtungen können versagen und im schlimmsten Fall das Gehäuse bersten.

Ein weiterer Belastungsfall ist das Ausdampfen von siedendheißem Kondensat. Wenn dieses aus dem Dampfnetz abgeleitet wird und sich dabei entspannt, tritt eine Verdampfung auf, die hauptsächlich im engsten Querschnitt der Armaturen stattfindet, wo die Gefahr von Auswaschungen am größten ist. Beim Kondensat handelt es sich nicht um reines Wasser. Eine unzureichende Aufbereitung des Kesselwassers führt dazu, dass noch Reste von Säuren, Salzen und Basen vorhanden sind.

Gelangt Luft und damit Sauerstoff in die Dampfanlage, gibt es aggressive chemische Reaktionen mit den Eisenwerkstoffen der Anlagenteile. Die sich dabei bildenden Rostpartikel führen zur Verunreinigung der Anlage. Größere Partikel werden mit der Strömung mitgerissen und verursachen Verschleiß und Erosionen. Durch feinere Partikel entsteht Rostschlamm, der sich ablagert und zu Verstopfungen in feinen Kanälen und Messbohrungen führt.

ArmaturenausführungenAbsperrventile

Sollen in Anlagen Wasserdampf- und Kondensatströme abgesperrt werden, ist die Type „Faba für Energien“ durch die Kombination spezieller Konstruktionslösungen besonders geeignet. Je nach Nennweite besteht das Gehäuse aus den zähen Werkstoffen Sphäroguss GGG 40.3 oder Stahlguss 1.0619+N. Die Sitzabdichtung erfolgt durch einen Kantensitz, wobei der Kegel zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit gehärtet ist. Verkrustungen/Ablagerungen können bei dieser Sitzform so verdrängt werden, dass ein dichter Abschluss erreicht wird.

Die Spindeldurchführung ist abgedichtet durch einen doppelwandigen Edelstahlfaltenbalg und eine nachgeschaltete Sicherheitsstopfbuchse, die im Falle von Beschädigungen am Faltenbalg die Abdichtung für die Übergangszeit bis zum Ventilaustausch übernimmt. Die Kapselung der Gewindespindel im Handradbereich verhindert ein Eindringen von Schmutz über das Gewinde.

Stellventile

Selten werden Dampfanlagen nur im Volllastfall betrieben, in der Regel müssen verschiedene Betriebszustände für die einzelnen Bereiche der Gesamtanlage unabhängig voneinander zu jeder Zeit eingestellt werden können. Dieses wird über eine Drosselung des Dampfdurchflusses mittels Stellventilen erreicht. Die Type „Stevi 470“ wird über einen elektrischen oder pneumatischen Stellantrieb betätigt.

Der Kantensitz-Kegel hat eine Parabolkontur, womit die Regelung auch kleinster Durchflussmengen präzise und genau möglich ist. Die Schaftführung des Kegels ermöglicht eine präzise Regelung, und durch die gehärtete Buchse ist diese Ausführung besonders verschleißfest. Das Ventil hat eine Dachmanschetten-Abdichtung für die Spindeldurchführung. Liegt die Medium-Temperatur über der hierfür zulässigen, steht auch eine Ausführung mit Edelstahl-Faltenbalg zur Verfügung.

Druckminderer

Im Gegensatz zu Stellventilen arbeiten Druckminderer ohne Hilfsenergie allein durch das Medium selbst gesteuert. Ihre Aufgabe ist die Reduzierung eines hohen Druckes (Vordruck) auf einen niedrigeren (Minderdruck). Gleichzeitig erfolgt die selbstständige Konstanthaltung dieses Minderdruckes bei Änderungen der Durchflussmenge oder bei Schwankungen des Vordruckes. Speziell für die Anforderungen des Mediums Wasserdampf eignet sich der Druckminderer des Typs „Predu“. In das Durchgangsgehäuse ist ein Kantensitz eingeschraubt.

Der Kegel hat einen kleinen Parabolansatz, der den Regelvorgang bei kleinsten Durchflussmengen schwingungssicher macht. Analog dem Stellventil ist auch hier eine Schaftführung mit gehärteter Buchse vorhanden. Dieser Druckminderer hat zwei Edelstahlfaltenbälge, wobei der untere die Spindel nach außen hin abdichtet und der obere die Funktion des Kräfteausgleichs am Kegel hat. Da die wirksame Fläche des Faltenbalges gleich groß ist wie die Sitzfläche, werden die Differenzkräfte kompensiert, und Vordruckschwankungen haben nur einen geringen Einfluss.

Gesteuert wird der Druckminderer über einen Membranantrieb. Der zu regelnde Minderdruck gelangt über das Vorlagegefäß und die Steuerleitung mit Wasservorlage (Schutz vor hohen Temperaturen) auf die Antriebsmembran und wird in eine Kraft umgewandelt, die der Federkraft entgegengerichtet ist. Die Vorspannung der Feder lässt sich durch Einstellung so verändern, dass bei dem gewünschten Minderdruck beide Kräfte im Gleichgewicht stehen. Ändert sich die Dampfmenge, so führt dies zu einer Verstellung des Kegels, bis das Gleichgewicht wieder erreicht ist.

Sicherheitsventile

Für die Absicherung der Anlagen-Komponenten gegen unzulässig hohen Druck sind Sicherheitsventile erforderlich. Der Teller (Kegel) der Type „Safe“ sperrt das am Eintritt anliegende, unter Druck stehende Medium gegen den im Austritt meistens herrschenden Atmosphärendruck hin ab. Die in der Federhaube vorgespannte Feder überträgt ihre Kraft über die Spindel auf den Teller. Mithilfe der Spannschraube kann die Federvorspannung variiert und damit der Ansprechdruck eingestellt werden.

Der gehärtete Kegel ist gelenkig aufgehängt, und mittels eines feinstgeläppten Flachsitzes ist ein gleichbleibender Ansprechdruck auch nach langer Standzeit gewährleistet. Bei hohen Dampftemperaturen verhindert die offene Federhaube eine zu große Aufheizung, denn zu hohe Federtemperaturen führen gleichzeitig zum Nachlassen der Kraft und zum Absinken des Ansprechdruckes. Beim Einsatz auf Entgasern und im Kondensatbereich ist dagegen eine geschlossene Ausführung erforderlich.

Kondensatableiter

Bei Kondensatableitern handelt es sich um Armaturen, die in Dampfnetzen selbsttätig Kondensat abführen, den Dampf jedoch zurückhalten. Mit der Typenreihe „Cona“ steht ein umfangreiches Sortiment für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle zur Verfügung. Hierbei unterscheidet man zwischen zwei Gruppen: Einmal gibt es die Ableiter, die staufrei das anfallende Kondensat ständig abführen, wie der „Cona S“, der nach dem Schwimmerprinzip arbeitet. Sobald Flüssigkeit in die Haube fließt, schwimmt die Kugel auf, das Ventil öffnet und das Kondensat kann abfließen. Der vor dem Kondensatableiter anstehende Dampf wird anschließend zurückgehalten. Dagegen funktioniert die zweite Gruppe mit einer gewissen Unterkühlung des Kondensates, wobei beispielhaft der bimetallgesteuerte „Cona B“ genannt sei.

Schmutzfänger/Dampftrockner

Für das Herausfiltern von groben Bestandteilen im Dampf, z.B. Schweißrückstände und Rostpartikel, sind Schmutzfänger mit innenliegenden Sieben gut geeignet. Kondensattröpfchen können bei hoher Dampfgeschwindigkeit Erosion und Materialabtrag bewirken. Feine Bestandteile im Dampf können gemeinsam mit diesen Kondensattröpfchen mittels Dampftrocknern abgeschieden werden. Sie bestehen aus einem Gehäuse mit innenliegendem spiralförmig gewendeltem Blech, woran sich die Tröpfchen und Schmutzstoffe durch die Zentrifugalkräfte abscheiden. Die Ableitung des Kondensates muss über Kondensatableiter am unteren Anschluss des Trockners erfolgen. Vor Stellventilen und Druckminderern sind grundsätzlich Schmutzfänger und möglichst Dampftrockner anzuordnen, um die Sitze und Kegel vor Beschädigungen zu schützen und den Verschleiß zu minimieren.

Dimensionierung und Auswahl

Die Größe der auszuwählenden Armatur richtet sich nach der Durchflussmenge des Dampfes oder Kondensates, für die sie bestimmt ist. Ist die Armatur zu klein gewählt, stellt sie einen zu großen Widerstand dar, wodurch nachfolgende Verbraucher unterversorgt werden oder sich ein zu großer Kondensatstau bildet. Aber auch mit zu groß dimensionierten Armaturen können Probleme verbunden sein, z.B. werden bei zu groß gewählten Regelventilen die Regeleigenschaften mit dem Grad der Überdimensionierung immer schlechter. Sicherheitsventile, die überdimensioniert sind, neigen zu Schwingungen und können flattern. Sitz und Kegel verschleißen dann frühzeitig, im Extremfall kann dieses auch zum Abreißen des Ventils führen.

Zur vollständigen und korrekten Dimensionierung ist die Kenntnis der Betriebsparameter wie der Drücke, Temperaturen und Durchflussmengen notwendig. Eine schnelle, sichere und genaue Möglichkeit der Größenbemessung bietet das Computer-Auslegungsprogramm „Ari-Vasi“. Anschließend sind zur korrekten Produktauswahl noch folgende Punkte zu beachten:

  • Festlegung der Druckstufe in Abhängigkeit von der Temperatur,
  • zulässige Grenzen/Toleranzen (z.B. Regelgüte, Druckverlust),
  • Art der Spindelabdichtung, z.B. Faltenbalg oder Dachmanschetten, Anforderungen an die Dampfgüte (z.B. Reindampf für Sterilisation),
  • Einbaulage,
  • Anschlussart (z.B. Flansch, Schweißende),
  • Fernbedienbarkeit/Diagnosemöglichkeiten,
  • Einbau, Betrieb, Wartung

Im Folgenden sind die beim Einbau, dem Betrieb und der Wartung zu beachtenden wichtigsten Punkte genannt:Einbau:

  • Transportsicherungen und Schutzkappen am Ein- und Austritt entfernen;
  • Durchflussrichtung und Einbaulage beachten;
  • Rohrleitung korrekt abfangen, Kräfte/Momente dürfen nicht auf der Armatur lasten;

Flanschdichtungen mittig montieren.Inbetriebnahme :

  • Anlage vor der ersten Betätigung der Armatur spülen;
  • Schmutzfänger danach reinigen;
  • Wasservorlage bei Druckminderern auffüllen;
  • evtl. montierte Blockierschraube bei Sicherheitsventilen entfernen;
  • Abblaseleitung bei Sicherheitsventilen muss angeschlossen sein. Wartung: regelmäßige Reinigung der Schmutzfänger und „Abschlammen“ von Kondensatsammelstutzen; undichte Stopfbuchsen an Spindeldurchführungen nachziehen; Sicherheitsventile von Zeit zu Zeit anlüften, um die Funktion zu überprüfen; ein zu häufiges Anlüften sollte jedoch vermieden werden, da die feinstgeläppten Dichtflächen sonst verschleißen, denn Schmutzfänger sind vor Sicherheitsventilen nicht zulässig Literatur[1]ARI-Armaturen: Herstellerkatalog Ausgabe 2003[2]Stork, E.: Dampfdruck-Reduzierstation für die Prozess- und Anlagentechnik. Industriearmaturen Heft 2/2000[3]Stork, E.: Das Edelstahl-Sicherheitsventil als Hauptkomponente zur Druckabsicherung von Anlagen mit korrosiven Medien. Industriearmaturen Heft 4/1996[4]Dr. Urbanek, H.; Böhm, L.: Eine neue Generation thermischer Bimetallkondensatableiter. Industriearmaturen Heft 2/1996[5]ARI-Armaturen: Ratgeber Kondensatwirtschaft (in Vorbereitung)[6]Dr. Urbanek, H.; Weiß, W.: Neues Sammel- und Verteilsystem für Wärmeträgermedien. Industriearmaturen Heft 3/2002[7]ARI-Armaturen: Computer-Auslegungsprogramm ARI-VASI[8]DIN EN 60534: Stellventile für die Prozessregelung[9]TRD 421: Sicherheitsventile gegen Drucküberschreitung - Sicherheitsventile für Dampfkessel[10] DIN EN 12952-10: Wasserrohrkessel - Anforderungen an Sicherheitseinrichtungen gegen Überdruck[11]DIN EN 12953-8: Großwasserraumkessel Anforderungen an Sicherheitseinrichtungen gegen Drucküberschreitung

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