Aktive Kondensatableiter gegen den Rückstaueffekt - PuA24.net

THERMISCHE VERFAHREN
P&A PRODUKTE & LÖSUNGEN
Aktive Kondensatableiter
gegen den Rückstaueffekt
Vermeidung von Geräuschen, Korrosion, schwankender Regelung in
dampfbetriebenen Wärmetauschern
Der Wärmeübergangskoeffizient bei Dampf
ist um den Faktor zehn besser als bei vergleichbaren
Wasseranwendungen, deshalb
werden in der industriellen Praxis oft dampfbetriebene
Wärmetauscher eingesetzt. Ist das
aufzuheizende Medium jedoch relativ kalt,
z.B. Wasser mit 90 °C, so ist die richtige Konzeption
des Wärmeübergangs nur mit entsprechender
Fachkenntnis in den Griff zu
bekommen. Geräusche, Vibrationen, schlechte
Regelung und immer wieder auch Korrosion
im Wärmetauscher sind auf den Rückstaueffekt
zurückzuführen. Abhilfe schafft im Regel-
Abb.1: Dampfseitige Regelung eines Wärmetauschers
fall der Einsatz eines aktiven Kondensatableiters. KLAUS RÜMLER
D
ampfseitig geregelte Wärmetauscher,
unabhängig ob Plattenwärmetauscher
oder Rohrbündel-Wärmetauscher,
bestehen
üblicherweise aus der dampfseitigen Entwässerung,
dem Dampfregelventil, dem
Wärmetauscher und der Entwässerungsgruppe
für den Wärmetauscher (Abb.1). Im
Volllastbetrieb öffnet das Dampfregelventil
weit, und große Mengen Dampf strömen in
den Wärmeüberträger. Durch den ausgezeichneten
Wärmeübertragungskoeffizienten
bei der Verwendung von Dampf ist der
Wärmeübergang besonders effizient. Das
Dampfregelventil schließt, wenn die Last des
Wärmetauschers sinkt, z.B. durch Erreichen
des Sollwertes, Erhöhung der Rücklauftemperatur,
Reduzierung der Abnahmeleistung
A U T O R E N
KLAUS RÜMLER
Geschäftsführer
KlausRuemler@de.spiraxsarco.com
Spirax Sarco GmbH
Reichenaustraße 210
D-78467 Konstanz
Fon: 07531/5806-0
Fax: 07531/5806-22
(z.B. in Übergangszeiten) oder durch Reduzierung
des Volumenstroms. Der Druck im
Wärmetauscher sinkt solange bis er geringer
ist als der im Kondensatnetz.
Für dampfseitig geregelte Wärmetauscher
werden grundsätzlich nur Schwimmer-Kondensatableiter
eingesetzt. Die anderen Ableitprinzipien
wie thermische Kapselableiter,
thermodynamische Kondensatableiter,
Bimetallableiter oder auch Glockenschwimmer-Kondensatableiter
sollten für derartige
Anwendungen nicht eingesetzt werden. Tatsächlich
sind übliche Kondensatableiter jedoch
passive Bauteile, d.h. das Kondensat
fließt nur aufgrund desDifferenzdrucks durch
den Kondensatableiter. Reicht der Differenzdruck
nicht aus, staut Kondensat in den
Wärmetauscher zurück. Ungewollt treten
dabei mehrere störende Effekte auf:
Heißer Dampf trifft auf relativ kühles
Kondensat; es treten schlagartige Dampfimplosionen
auf, die sich als knatternde
Geräusche, Schläge und Vibrationen auswirken.
Die Wärmetauscherfläche wird ungewollt
verringert, und die Wärmedurchgangsgleichung
Q = K x A x ∆t ist nicht
mehr nur alleine von der Temperaturdif-
ferenz abhängig. Die Regelung kann ins
Schwanken geraten.
Im Wärmetauscher gibt es eine Grenzschicht
zwischen Dampf, dem im Dampf
enthaltenen Restsauerstoff und dem
Wasser (Kondensat). An dieser Grenzfläche
entsteht bei einfachen Stahlwärmetauschern
stark erhöhte Korrosion.
Der Rückstaueffekt lässt sich für jeden
dampfbetriebenen Wärmetauscher mit Hilfe
des physikalischen Rückstaudiagramms berechnen
(Abbildung 2). Auf der linken Skala
des Rückstaudiagramms ist die Temperatur
aufgetragen, und zwar sowohl die Temperatur
des Sekundärmediums als auch die zur
Verfügung stehende Dampftemperatur. Die
rechte Achse ist die Druckangabe sowohl für
den Gegendruck im Kondensatnetz (im Idealfall
1 bar, d.h. Atmosphärendruck) als auch
des zugehörigen Dampfdruckes.
Wann tritt der Rückstau auf?
Durch das Eintragen der Daten des Wärmeübertragungsprozesses
kann sehr leicht ermittelt
werden, ab welcher Wärmetauscherlast
der Problemfall des Rückstaus auftritt.
C.09
P&A KOMPENDIUM 2004
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Abb.2: Das Rückstaudiagramm zur Berechnung des
Rückstaueffekts
Abb.3: Der aktive Kondensatableiter
Abb.4: Der aktive Kondensatableiter als Schwimmableiter
C.09
Hierzu ein Beispiel:
Bei einem Heizungsprozess mit 90 °C Vorlauftemperatur
und 20 °C Rücklauftemperatur
beträgt der Dampfdruck 3 bar (hier zur
Vereinfachung als Dampfdruck nach dem
Regelventil angenommen) und der Gegendruck
im Kondensatsystem 0,5 bar.
Als Punkt 1 wird die minimale Rücklauftemperatur
und als Punkt 2 die Vorlauftemperatur
eingetragen. Der zur Verfügung stehende
Dampfdruck von 3 bar entspricht einer
Temperatur von 144 °C (Punkt 3). Die drei
Punkte werden mit einander verbunden. Eine
waagrechte Linie für den Gegendruck im
Kondensatnetz wird bei 0,5 bar eingezeichnet.
Im Punkt 4 schneidet die waagrechte
Linie die Verbindungslinie 2-3. Senkrecht
nach unten im Punkt 5 kann die Last des
Wärmetauschers abgelesen werden, ab der
Kondensatrückstau auftritt; in unserem Beispiel
bei 47 Prozent. In physikalischen Werten
ausgedrückt bedeutet dies, dass bei einer
Rücklauftemperatur von 51 °C der Rückstaupunkt
erreicht ist. Diese Art des Rückstaudiagramms
hat für alle Anwendungen
mit gleichbleibendem Durchfluss Gültigkeit.
Fälle mit veränderlichem Durchfluss, z.B. bei
der Erwärmung von Brauchwasser oder bei
der Verwendung drehzahlgeregelter Pumpen
müssen leicht verändert dargestellt werden.
Abb.5: Installationsschema mit Druckpendelleitung
Rückstau durch Kondensatableiter
verhindern
Kondensatrückstau in einen dampfseitig
geregelten Wärmetauscher ist unerwünscht
und führt zu den bereits oben erwähnten negativen
Effekten. Die eingesetzten Kondensatableiter
können das Kondensat wegen des
fehlenden Differenzdrucks nicht ableiten.
Auch der Einsatz eines Vakuumbrechers
oder eines belüftenden Rückschlagventils
bringt keinen Erfolg, da hierbei nur Vakuum
verhindert wird, jedoch nicht sichergestellt
ist, dass gegen den Atmosphärendruck und
den Druck im Kondensatnetz genügend Differenzdruck
vorhanden ist.
Abhilfe für diese kritischen Prozessanwendungen
schaffen aktive Kondensatableiter.
Diese Geräte sind eine Kombination zwischen
Schwimmer-Kondensatableiter und
mechanisch arbeitendem Kondensatheber
(Abb. 3). Antriebsmedium für diese auch
‚Pumpkondensatableiter‘ genannten Geräte
ist üblicherweise der zur Verfügung stehende
Dampf. Weitere Anschlüsse z.B. für Druckluft
oder elektrische Energie sind nicht
nötig.
Im Fall höherer Wärmetauscherlast, das
heißt genügendem Differenzdruck zwischen
Dampfraum und Kondensatraum arbeiten
die aktiven Kondensatableiter wie übliche
Schwimmerableiter:Die Schwimmerelemente
heben sich, geben das Auslassventil frei,
und Kondensat wird durch den Kondensatableiter
ins Kondensatsystem gedrückt. Ist
nicht genügend Differenzdruck vorhanden,
schwimmen die Schwimmerelemente weiter
auf, schließen ein Entlüftungsventil, das
über eine Pendelleitung mit dem Wärmetauscher
verbunden ist, und geben ein
Dampfeinlassventil frei. Der eintretende
Dampf (höherer Druck) drückt das Kondensat
aus dem Ableiter ins Kondensatsystem.
Kondensatrückfluss wird durch die eingebauten
Rückschlagventile verhindert. Ist
wieder genügend Differenzdruck im System
vorhanden, arbeitet der aktive Kondensatableiter
wieder wie ein herkömmlicher
Schwimmerkondensatableiter. Wichtig ist die
korrekte Installation; vor allem die Druckpendelleitung
zurück zum Wärmetauscher
mit dem Dampfentlüfter sind entscheidend.
Alle weiteren Armaturen für die sichere
Funktion sind im Pumpkondensatableiter
integriert.
Eine ähnliche Funktion wie die oben beschriebene
könnte auch mit einem elektrisch
betriebenen System erreicht werden. Die dazu
notwendigen Geräte wie Puffergefäß,
Kondensatableiter, elektrische Pumpe, Ansteuerung
sind jedoch ungleich aufwändiger
als die Verwendung eines Pumpkondensatableiters.
Da dieser gleichzeitig noch selbstständig
und wartungsfrei arbeitet, ist für den
Anwender der sichere Anlagenbetrieb unter
allen Betriebszuständen garantiert.
Zusammenfassung
Der aktive Kondensatableiter ist eine Lösung
für den viel gefürchteten Rückstaueffekt. Mit
seinem Einsatz lassen sich in vielen Anlagen
technische Probleme vermeiden. Der Aufbau
des gesamten Systems ist relativ einfach, und
der laufende Betrieb bedarf keiner Beaufsichtigung.
Grundsätzlich ist jedem Planer
und Anwender zu empfehlen, mit Hilfe des
(rein physikalischen) Rückstaudiagramms
die Prozessbedingungen zu analysieren und
zu ermitteln, ob ein aktiver Pumpkondensatableiter
für den sicheren Anlagenbetrieb
nötig ist.
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