Für Wasserdampf

Erhard Stork

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 siedend heißem 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 dann 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 dann recht 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.

ARI Armaturen bietet Regelventile und Kondensatableiter, Sicherheitsventile und Absperrventile für Handbedienungen an, die auf diese konkreten Anforderungen zugeschnitten sind. Die wichtigsten Ausführungen sind Inhalt der folgenden Abschnitte.

Sollen in Anlagen Wasserdampf- und Kondensatströme abgesperrt werden, ist die Ausführung ARI-Faba für Energien (Bild 1) durch die Kombination spezieller Konstruktionslösungen hierfür 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.

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. Hierfür eignet sich besonders das Stellventil Stevi 470, das über einen elektrischen Stellantrieb betätigt wird. 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 dargestellte 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.

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 selbständige Konstanthaltung dieses Minderdruckes bei Änderungen der Durchflussmenge oder bei Schwankungen des Vordruckes. Den besonders für die Anforderungen des Mediums Wasserdampf geeigneten Druckminderer Predu zeigt Bild 2. 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 nun die Dampfmenge, so führt dieses zu einer Verstellung des Kegels bis das Gleichgewicht wieder erreicht ist.

Für die Absicherung der Anlagen-Komponenten gegen unzulässig hohen Druck sind Sicherheitsventile wie das ARI-Safe in Bild 3 erforderlich. Der Teller (Kegel) sperrt das am Eintritt anliegende unter Druck stehende Medium gegen den im Austritt meistens herrschenden Atmoshärendruck hin ab. Die in der Federhaube vorgespannte Feder überträgt ihre Kraft über die Spindel auf den Teller. Mit Hilfe der Spannschraube kann die Federvorspannung variiert und damit der Ansprechdruck verändert werden. Der gehärtete Kegel ist gelenkig aufgehängt und mittels feinstgeläpptem Flachsitz 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.

Bei Kondensatableitern handelt es sich um Armaturen, die in Dampfnetzen selbsttätig Kondensat abführen, den Dampf jedoch zurückhalten. Mit der Baureihe ARI-Cona steht ein umfangreiches Sortiment für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle zur Verfügung. Hierbei unterscheidet man zwischen zwei Gruppen: Einmal gibt es die Ableiter, die verzögerungsfrei das anfallende Kondensat ständig abführen wie der in Bild 4 gezeigte 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 in Bild 5 dargestellt ist.

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.

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 folgende Punkte zu beachten:

cav 437