Dampfversorgungssysteme Effiziente Dampfnutzung in Energieversorgungsanlagen

Redakteur: Dr. Jörg Kempf

Dampf wird in vielen Prozessen der Industrie als effizienter Energieträger geschätzt. Ist Dampf aus der Abwärmenutzung oder über einen eigenständigen Dampferzeuger vorhanden, gibt es einige Ansatzpunkte, um die Energierückgewinnung so aufzubauen, dass die Kostenreduzierung besonders hoch ist.

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Beispiele zur Optimierung der Energieausnutzung (Bild: Spirax Sarco)
Beispiele zur Optimierung der Energieausnutzung (Bild: Spirax Sarco)

Dampf ist in vielen Anwendungen gegenüber Warmwasser oder Heißwasser das effektivere Wärmeträgermedium. In industriellen Anlagen werden die hohe Temperatur des Dampfes und seine große Energiedichte ausgenutzt. Im Bereich der Pharmaproduktion oder der Lebensmittelindustrie ist Dampf zudem optimal für Sterilisationszwecke geeignet. Der Transport des Dampfes erfolgt selbsttätig, elektrische Pumpen werden nicht benötigt, und elektrische Energie spielt für die Betriebskosten kaum eine Rolle.

Üblicherweise wird Dampf geplant in einem Dampfkessel für den Produktionsprozess erzeugt. Die Leistung des Dampfkessels wird aber auch dafür genutzt, die Heizungsanlage teilweise oder ganz mit Energie zu versorgen. Oft bietet sich das dann an, wenn in den warmen Monaten wenig Heizleistung aus der Warmwasseranlage, aber weiterhin Dampf für den Prozessbetrieb benötigt wird. Nicht zu unterschätzen sind die Energiemengen, die aus Abdampf entstehen. Werden diese sinnvoll genutzt, ergeben sich oft Amortisationszeiten von wenigen Wochen.

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Moderne Anlagenausrüstung

Über eine sinnvolle Isolierung von Rohrleitungen muss heute glücklicherweise nicht mehr allzu oft geredet werden. Wird eine mit 160°C betriebene 500mm Rohrleitung unisoliert betrieben, verursacht das Energiekosten bis zu 40000 Euro/Jahr; diese Kosten reduzieren sich bei 100mm Isolierung auf ca. 2400 Euro. Ähnliche Überlegungen gelten auch für Wärmetauschersysteme, wobei moderne Konzepte leider noch immer nicht in dem Maß eingesetzt werden, wie das energetisch sinnvoll wäre. Auch wenn der klassische Rohrbündelapparat weiterhin in einigen Anwendungen seine Daseinsberechtigung hat, gibt es doch einige sinnvolle Alternativen:

  • Plattenwärmetauscher sind klein, kompakt und flexibel. Moderne Apparate sind auch für Dampf geeignet. Ihre Abstrahlverluste sind schon aufgrund der im Vergleich zum Rohrbündelapparat mindestens um den Faktor 3 kleineren Oberfläche wesentlich geringer. Außerdem sind das Eigenvolumen und der Inhalt des Sekundärmediums so klein, dass schnell geregelt werden kann. Die Notwendigkeit, ständig größere Massen auf Temperatur zu halten, entfällt dadurch.
  • Plate&Shell-Wärmetauscher, wie sie von Spirax Sarco in QuickHeat-Stationen verwendet werden, vereinigen zwei wesentliche Eigenschaften von Rohrbündel- und Plattenwärmetauscher: Klein, kompakt, große Wärmeübertragungsfläche in einem robusten, dichtungslosen Stahlmantel.
  • Turflow-Drallrohrwärmetauscher besitzen dieselben Eigenschaften wie Rohrbündelapparate, verfügen jedoch über einen wesentlich besseren Wärmeübergang. Dadurch bauen sie kleiner auf, Kosten und Energieverluste werden entsprechend geringer. Zudem wird die Installation wesentlich vereinfacht.

Kleine Ursache, große Wirkung

Viel zu oft wird das Augenmerk auf die großen Apparate gerichtet. Dabei sind es durchaus die kleine Anlagenteile, die entsprechende Auswirkungen auf die Effizienz haben können. So reagieren Plattenwärmetauscher z.B. sehr viel schneller auf eine Regelung als die schwerfälligen Rohrbündelwärmetauscher. Aber nicht immer ist Schnelligkeit von Vorteil. Wird ein Wasserspeicher z.B. sehr schnell aufgeheizt, erfordert das einen entsprechend großen Wärmetauscher mit zugehöriger Regeleinrichtung. Soll im zweiten Schritt der Inhalt des Tankes dann lediglich auf Temperatur gehalten werden, ist der Energiebedarf um den Faktor 20 geringer. Die Differenz zwischen maximaler und minimaler Leistung ist so groß, dass sie nennenswerte Auswirkungen auf die Lebensdauer der eingesetzten Geräte, die Anschaffungskosten, aber auch die laufenden Energiekosten hat. Es ist daher sinnvoll, nicht wie üblich nur die maximale Leistung zu definieren, sondern sich auch über die minimale Leistung und die Aufheizzeiten Gedanken zu machen.

Starke Lastschwankungen haben Auswirkungen auf alle beteiligten Geräte. Der Wärmetauscher wird üblicherweise auf maximale Last ausgelegt, bei Teillast funktioniert die Entwässerung nicht mehr optimal (dampfseitig geregelt). Die Strömungsgeschwindigkeiten im Wärmetauscher sinken (weniger turbulent), es kommt zur Absetzung von Feststoffen auf der Sekundärseite, der Wärmeübergang wird schlechter.

Das Regelventil wird ebenfalls auf maximale Last ausgelegt. Sinkt die zu regelnde Dampfmenge im Teillastbetrieb stark ab, kann die Regelgüte beeinträchtigt werden. Ständiges Regeln im kleinsten Öffnungsbereich des Ventils führt zu Vibrationen und Berührung von Ventilteller und Ventilsitz. Das hat zur Folge, dass die Lebensdauer sinkt.

Die auf kleinem Raum besonders große Wärmeübertragungsfläche und ein sehr guter Wärmeübergang durch optimierte Strömungsbedingungen (turbulente Strömung) sind die großen Vorteile von Plattenwärmetauschern. Beim Einsatz geschraubter und gedichteter Plattenwärmetauscher bietet sich die zusätzliche Möglichkeit, den Tauscher leicht reinigen und inspizieren zu können. Ebenso ist eine Erweiterung bei geänderten Leistungsbedingungen möglich. Besonders betriebskostensparend ist, dass Plattenwärmetauscher gemäß Betriebssicherheitsverordnung nicht mehr zwangsläufig einer wiederkehrenden TÜV-Prüfung unterzogen werden müssen.

Wird Dampf als Heizmedium verwendet, entstehen besondere physikalische Anforderungen: Der Wärmeübergang des Dampfes auf der Primärseite des Wärmetauschers ist wesentlich besser als der der zu erhitzenden Flüssigkeit auf der Sekundärseite. Außerdem liegen die Temperaturen bei der Verwendung von Dampf meist recht hoch – ein weiterer Grund für die Zunahme latenter Spannungen. Zusätzlich strömt der Dampf mit z.B. 25 m/s wesentlich schneller als die Flüssigkeit mit 1 bis 2 m/s, die Dampfeintrittsseite ist damit stark erosiven Bedingungen ausgesetzt.

Konstruktive Besonderheiten

Um diese Effekte zu beherrschen und für lange Lebensdauer zu sorgen, muss der Plattenapparat einige konstruktive Besonderheiten aufweisen: besondere geometrische Ausführung, dampfgeeignete Plattenprägung, temperaturbeständige Dichtungen. Übliche Wasser/Wasser-Wärmetauscher sind für den Dampfeinsatz definitiv nicht geeignet. In Spirax Sarco-Wärmeübertragerstationen werden daher nur spezielle Plattenapparate oder Plate&Shell-Wärmetauscher eingesetzt.

Für geschraubte und gedichtete Plattenwärmeübertrager stehen heute moderne, temperaturstabile Dichtungen zur Verfügung. Trotzdem: Die Lebensdauer einer Dichtung ist immer abhängig von ihrer Belastung, die vor allem abhängig von der Temperatur und den Temperaturschwankungen ist. Bei der Auswahl des Wärmetauschers und bei der Auslegung der Regeleinrichtung ist daher unbedingt der Dampfdruck bzw. die Dampftemperatur zu berücksichtigen. In vielen Fällen ist es dabei sinnvoll, die Lebensdauer durch den Einsatz eines zusätzlichen Druckregelventils gravierend zu verbessern. Auch die Sekundärseite muss betrachtet werden. Zu geringe Strömung bei gleichzeitig weiter heißer Primärseite hat negative Auswirkungen auf die Lebensdauer, ebenso wie ein zu geringer Druck auf der Sekundärseite (ungewollte Verdampfung). Besonders gilt das für kondensatseitig geregelte Anlagen, bei denen ja immer der volle Dampfdruck ansteht.

Anschlussfertige Stationen

Um alle Betriebsbedingungen sicher und auf lange Lebensdauer abzudecken, besprechen Spirax Sarco-Ingenieure die Einsatzdaten mit dem Anwender oder Planer. Optimale Gewähr für funktionstüchtige Anlagen bieten die anschlussfertigen Wärmeübertragerstationen EasiHeat und QuickHeat. Diese für die industriellen Bedürfnisse gefertigten Anlagen sind CE gekennzeichnet und erleichtern viele Aufgaben bei Planung und Installation. Durch ihre kompakte Bauweise sparen sie nicht nur Platz ein, sondern reduzieren auch Energieverluste.

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