Wasser schnell erhitzen

Abb. 1 Geregelter Dampf-Wasser-Injektor (Q = 650 kW bei pDampf= 8 bar): (1) Gehäuse, (2) Treibdüse, (3) Kegel, (4) Fangdüse, (5) Austrittsquerschnitt für Dampf, (6) Mischkammer, (7) Diffusor

Abb. 2 Der Saugstrom des Dampf-Wasser-Injektors ergibt sich aus dem Schnittpunkt der Kennlinie mit der Widerstandslinie des Leitungssystems

Abb. 3 Beheizung eines Bades für das Kochen von Schinken bei ca. 71 °C

Abb. 4 Beheizen eines Wärmetauschers für Warmwasserheizung

Der Eintrag von Dampf ist ein sehr wirksames Mittel zum raschen Aufwärmen von Wasser. Den Hauptanteil der Wärmeleistung liefert dabei die Kondensationswärme. Der geregelte Dampf-Wasser-Injektor erzeugt Wärme durch geräuscharme Dampfinjektion. Die Leistungsregelung erfolgt über den Austrittsquerschnitt des Dampfes.

Nach der für überkritische Dampfentspannung gültigen Faustformel ist die Wärmeleistung bei der Erwärmung von Wasser mit Dampf 40-mal das Produkt aus Querschnittsfläche und Dampfdruck. Der Eintrag von Dampf in Wasser birgt allerdings die Gefahr, dass die Blasen des kondensierenden Dampfes unter starker Ge-räuschentwicklung mit hohen Druckspitzen implodieren. Diesem Problem wird in herkömmlichen Geräten entweder durch einen kleinen Querschnitt A, also durch relativ geringe Leistung, durch die Aufteilung von A in zahlreiche kleine Teilquerschnitte oder durch Füllkörper begegnet.

Der geregelte Dampf-Wasser-Injektor erzeugt die erforderliche Wärmemenge durch geräuscharme Dampfinjektion. Die Förderung des Wassers erfolgt durch den Aufbau einer Druckdifferenz nach dem Injektorprinzip. Durch den Verzicht auf elektrisch getriebene Umwälzpumpen, lässt sich so eine erhöhte Wirtschaftlichkeit erreichen.

Die wichtigsten Bauteile des in Abbildung 1 dargestellten regelbaren Dampf-Wasser-Injektors sind das Dreiwegegehäuse (1), die Treibdüse (2), der Kegel (3) mit zylindrischem und konischem Fortsatz sowie die Fangdüse (4) mit zylindrischer Verlängerung. Der Kegel und die Treibdüse bilden einen schmalen kreisringförmigen Austrittsquerschnitt (5) für den Dampf. Die zylindrischen Fortsetzungen des Kegels und der Fangdüse formen eine Mischkammer (6) mit schmalem kreisringförmigem Querschnitt. Der Diffusor befindet sich zwischen der konischen Fortsetzung des Kegels und der zylindrischen Fortsetzung der Fangdüse (7). Der eintretende Dampf wird in der Treibdüse beschleunigt. Bei überkritischer Entspannung von sattem Treibdampf beträgt die Geschwindigkeit rund 460 m/s. Das auf der gegenüberliegenden Seite eintretende Wasser wird in dem von Treibdüse und Fangdüse gebildeten Spalt ebenfalls beschleunigt und in axialer Richtung in die Mischkammer geführt. Die Mischkammer ist so lang bemessen, dass der Dampf am Ende weitestgehend kondensiert ist. Durch den Druckanstieg beim Kondensationsvorgang und im Diffusor hat das erwärmte Wasser am Austritt einen höheren Druck als das Wasser am Eintritt. Der Austrittsquerschnitt für den Dampf ist schmal und kreisringförmig. Daher können sich nur kleine Dampfblasen bilden, die infolge der großen Gesamtoberfläche spontan im Wasser kondensieren.

Bei der Leistungsregelung wird der Austrittsquerschnitt des Dampfes durch Verschieben des Kegels variiert. Dabei ändert sich der Dampfstrom proportional zum freigegebenen Querschnitt. Der Druck, die Dichte und die Geschwindigkeit des Dampfes bleiben konstant. Die Kennlinie des Dampf-Wasser-Injektors betrachtet die erzeugte Druckdifferenz zwischen Wasserein- und -austritt in Abhängigkeit vom Saug-strom. Abbildung 2 zeigt die Kennlinie des Dampf-Wasser-Injektors bei 100% Kegelhub und bei den Drücken pDampf = 4,5 bar und pWasser = 1,1 bar. Wie von Kreiselpumpen für die Wasserzirkulation in Heizanlagen bekannt, ergibt sich der Saugstrom des Dampf-Wasser-Injektors aus dem Schnittpunkt der Kennlinie mit der Widerstandslinie des Leitungssys-tems. Der Verlauf der Widerstandslinie hängt vom spezifischen Widerstandsbeiwert j* ab, der sich zum Beispiel mit Hilfe von Abgleichventilen innerhalb bestimmter Grenzen variieren lässt. Ein Anheben von j* bewirkt eine steilere Widerstandslinie und somit eine Verlagerung des Schnittpunktes mit der Kennlinie zu einem kleineren Saug-strom. Der Verlauf der Kennlinie hängt bei vorgegebenen geometrischen Parametern und bei konstanten Drücken pDampf und pWasser vom Kegelhub ab. Mit abnehmendem Hub werden die Druckdifferenz und der Saugstrom reduziert, und zwar qualitativ ähnlich wie bei einer Kreiselpumpe mit reduzierter Drehzahl. Somit besteht eine weitgehende Analogie des hubgeregelten Dampf-Wasser-Injektors zu einer drehzahlgeregelten Kreiselpumpe in einem Kreislauf, dessen Widerstandsbeiwert mit einem Abgleichventil verändert werden kann.

Nach herkömmlicher Technik werden Kochbäder vielfach noch mit bodennahen Düsenstöcken beheizt: Dampfrohre mit kleinen Austrittsdüsen für den Dampf. Mängel dieser herkömmlichen Technik sind verkalkungsbedingtes Verstopfen der Düsenstöcke, hohe lokale Übertemperaturen, schwache Wasserzirkulation, ungenaue Regelung sowie relativ hohe Investitions- und Wartungskosten. Alternativ eingesetzte herkömmliche Injektoren mit konstantem Dampfquerschnitt benötigen zur Regelung ein vorgeschaltetes Regelventil, das neben dem Dampfdurchsatz auch den Dampfdruck und die Geschwindigkeit in der Treibdüse reduziert. Nachteile dieser Lösung sind unbefriedigende Schwachlastregelung und vielfach nicht akzeptable Geräusche. Durch den Umstieg auf den geregelten Dampf-Wasser-Injektor lassen sich diese Mängel beheben.

Abbildung 3 zeigt den Einsatz eines geregelten Dampf-Wasser-Injektors für das Beheizen eines Kochbades für Schinken. Das anfänglich etwa 10 °C kalte Wasser wird nach dem Einsetzen der Schinkenpalette innerhalb von 45 min bei 100% Hub auf 71 °C erwärmt. Anschließend wird die Wassertemperatur für eine Dauer von 6 h konstant geregelt. Diese Regelung lässt sich, der Leistungsanforderung entsprechend, entweder stetig oder impulsartig durchführen. Bei Impulsregelung ist eine mit der Strömung aufschwimmende Rückschlagklappe am Wassereintritt angeraten, um einen kurzfristigen Dampfübertritt zu vermeiden. Die Temperatur T04 des aufgeheizten Wassers liegt je nach Kegelhub zwischen 73 und 78 °C. Größere lokale Übertemperaturen, die der Qualität des gekochten Schinkens abträglich wären, können also insbesondere durch stetige Regelung bei Hüben deutlich kleiner als 100% vermieden werden. Die Wasserzirkulation ist auch bei reduziertem Hub sehr kräftig und fördert den gleichmäßigen Wärmeübergang vom Wasser auf den Schinken innerhalb der gesamten Palette.

Abbildung 4 zeigt den Einsatz eines geregelten Dampf-Wasser-Injektors zum Beheizen der Primärseite eines Wärmetauschers, der Sekundärwärme an eine Warmwasserheizung abgibt. Absperrarmaturen für Dampf und Wasser, ein Sicherheitsventil und andere Sicherheitseinrichtungen sind der Einfachheit halber nicht aufgeführt. Die Rückschlagklappe am Dampfeintritt verhindert, dass bei aussetzendem Dampfdruck Wasser in die Dampfschiene übergeht. Die Rückschlagklappe am Wassereintritt verhindert, dass bei plötzlichem Öffnen des Injektors oder bei zu stark eingedrosseltem Abgleichventil, Dampf über den Saugstutzen übertritt. Das Abgleichventil wird eingedrosselt, wenn die Temperatur am Wasseraustritt trotz 100% Hub des Injektors nicht den geforderten Maximalwert erreicht. Die Temperatur des erwärmten Wassers wird entsprechend der Leis-tungsanforderung der Sekundärseite und gegebenenfalls auch entsprechend der Außentemperatur durch Verstellen des Kegelhubes geregelt. Die Temperatur des ausgekühlten Wassers wird mit einem Fühler überwacht: Reduzierung des Kegelhubes beim Überschreiten der zulässigen Rücklauftemperatur.

Als alternative Lösung der Aufgabe, Dampfwärme für die Warmwasserheizung zu nutzen, kommt nach herkömmlicher Technik zum Beispiel ein Wärmetauscher mit Kondensatstau in Betracht, der mit Hilfe eines Ventils entsprechend der sekundärseitigen Leistungsanforderung geregelt wird. Im Vergleich zu dieser Lösung ist der geregelte Dampf-Wasser-Injektor in Kombination mit einem Wasser-Wasser-Wärmetauscher insgesamt preiswerter.

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Gerhard Ehrhardt