In vielen Industriezweigen, bei denen Wärme in großer Menge benötigt wird, kommt Wasserdampf zum Einsatz. Dessen hoher Wärmeinhalt – gepaart mit einem sehr guten Wärmeübergang und einer genauen Regelbarkeit – machen Wasserdampf zu dem am besten geeigneten Energieträger für derartige Anwendungen. Die klassische Vorgehensweise zur Rückförderung des anfallenden Niederdruck-Kondensates ist das Sammeln aus vielen Verbrauchern in einen atmosphärischen Kondensatbehälter, von dem es dann mittels elektrischer Pumpen oder mechanischer Kondensatheber zum Kesselhaus zurückgefördert wird.
Der Vorteil einer solchen Vorgehensweise ist die Möglichkeit, das Kondensat vieler Verbraucher in einem drucklosen Behälter sammeln zu können, ohne die gegenseitige Beeinflussung durch Gegendruck befürchten zu müssen. Der Nachteil ist jedoch der nicht unerhebliche Energieverlust in Form von Entspannungsdampf, der in die Atmosphäre entlassen wird. Obwohl sich diese Energie zu einem großen Teil im Kondensat speichern lässt, scheuen viele Anlagenbetreiber die Umrüstung auf ein geschlossenes Kondensatsystem.
Also was tun mit dem atmosphärischen Entspannungsdampf? Dieser lässt sich nicht mehr in ein Leitungsnetz einspeisen, da die nötige Druckdifferenz fehlt. Lange Zeit war man hier auf den Einsatz von Brüdenkondensatoren angewiesen. In einem zur Atmosphäre offenen Wärmetauscher wird mithilfe von Kühlwasser der Dampf kondensiert und das Kondensat in den Kondensatbehälter zurückgeleitet. Dies ist besonders für Betriebe der Lebensmittelindustrie geeignet, wo große Mengen an Warmwasser für CIP und sonstige Reinigungen benötigt werden. In anderen Industriezweigen ist der Bedarf an Warmwasser jedoch geringer.
Optimal gestaltet sich die Nutzung des atmosphärischen Entspannungsdampfes in seinem gasförmigen Zustand mit der Anhebung auf ein höheres Druckniveau. Der TLV-Dampfverdichter bietet diese höchst interessante Alternative.
Dampf wird verwertbar
Bei einem Dampfverdichter handelt es sich um eine Strahlpumpe, die wie eine Lavaldüse funktioniert. Ein mittels einer Düse stark beschleunigtes Hochdruckgas saugt ein Niederdruckgas in eine Mischkammer hinein. Beim Durchströmen des nachfolgenden Halses schlägt die Überschallströmung in Unterschallströmung um, indem sich die Überschallgeschwindigkeit schlagartig in eine Unterschallgeschwindigkeit verändert. Dies resultiert in einem sofortigen Druckanstieg, dem sogenannten Verdichterstoß. In dem sich anschließenden Diffusor verringert sich die Geschwindigkeit weiter, mit einhergehendem zusätzlichem Druckanstieg. Am Austritt hat sich dann ein Mitteldruck gebildet.
Man kennt dies seit Langem aus der Vakuumerzeugung, bei der mittels eines Dampfdruckes von 2 bis 3 barü am Niederdruckstutzen ein Vakuum angesaugt wird. Dampf und evakuiertes Gas strömen dann gegen Atmosphäre als Mitteldruck aus.
Relativ neu ist jedoch die Idee, die Auslegung dieser Vakuumstrahlpumpen so zu verändern, dass als Niederdruck kein Vakuum angesaugt wird, sondern atmosphärischer Entspannungsdampf. Als Mitteldruck ergibt sich dann ein Druck über dem Atmosphärendruck. Der austretende Dampf wird damit technisch verwertbar, weil man ihn wieder in ein Rohrleitungssystem einspeisen kann. Diese Apparate werden Dampfverdichter genannt.
In der Industrie benötigen vielfältige Anwendungen Dampf auf einem recht niedrigen Druckniveau von 2 bis 4 barü. Typische Beispiele sind Gebäudeheizungen, CIP-Anlagen oder Beheizungen mit geringen Temperaturen.
Sind also in einem Dampfsystem mindestens zwei Dampfschienen mit einer Hochdruckleitung von min. 10 barü und eine Niederdruckleitung vorhanden, kann ein Dampfverdichter eine sehr interessante Alternative sein, um atmosphärischen Entspannungsdampf wieder „unter Druck zu setzen“ und so für oben genannte Anwendungen technisch nutzbar zu machen.
Ein Dampfverdichter ermöglicht somit:
- die direkte Nutzung von atmosphärischem Entspannungsdampf als Dampf
- die Reduktion der Dampfmenge, die im Kessel erzeugt wird
- die Reduktion von Brennstoff im Dampfkessel und der benötigten Menge Frischwasser
Passt der Dampfverdichter zur Anwendung, fallen die Amortisationszeiten recht kurz aus. Sie liegen zwischen sechs Monaten und einem Jahr. In der Planung einer solchen Nachdampfnutzung mittels Dampfverdichter sind jedoch einige Umstände zu berücksichtigen.
Voraussetzung ist eine ausreichende Abnahme auf der Mitteldruckseite. Die Effektivität eines Dampfverdichters wird durch das Ansaugverhältnis beschrieben. Dieses gibt an, wie viele Teile Hochdruckdampf benötigt werden, um ein Teil Niederdruckdampf auf den Mitteldruck zu verdichten. Je geringer das Verhältnis, desto besser ist es natürlich. Dieses Verhältnis ist eine Funktion der drei Drücke auf allen Seiten: Hochdruck, Niederdruck und Mitteldruck. Ist die Abnahme auf der Mitteldruckseite geringer als die Auslegung des Dampfverdichters, steigt der Mitteldruck am Austritt als Gegendruck an. Dadurch verschiebt sich das Ansaugverhältnis von der Auslegung und der Dampfverdichter kann thermodynamisch nicht mehr ansaugen. Daher legt man Dampfverdichter zumeist für eine Normallast aus und versorgt Lastspitzen des Mitteldruckdampfes über ein (zumeist existierendes) Stellventil.
Durch die Mischung von Hochdruck- und Niederdruckdampf ist der Mitteldruckdampf am Austritt überhitzt. Diese Überhitzung ist umso stärker, je größer das Ansaugverhältnis ist. Diese Überhitzung geht jedoch in der Regel durch Wärmeabstrahlung recht rasch wieder verloren.
Bedingt durch das oben beschriebene physikalische Verhalten kann es sein, dass der Dampfverdichter mit einer Ansaugmenge ausgelegt werden muss, die geringer ist als der Anfall an atmosphärischem Entspannungsdampf. Somit kann weiterhin eine (geringere) Dampffahne über dem Kondensatbehälter sichtbar sein. Dies bedeutet jedoch nicht, dass der Dampfverdichter nicht arbeitet. Die Auslegung erfolgt daher immer in enger Abstimmung mit dem Anwender.
Suchwort: cav0719tlv
Anwendung eines DampfverdichtersBild: TLV
Autor: Dr. Thomas Straeten
Leiter Systemtechnik,
TLV Euro Engineering
