Bei der Ermittlung der notwendigen Dampfleistung einer Dampfkesselanlage müssen alle Dampfverbraucher im Dampfnetz am besten in einer Tabelle mit ihrer minimalen und maximalen Leistung erfasst und dann die Leistung aller Verbraucher aufsummiert werden.
Dabei sollte zwischen folgenden Verbrauchern unterschieden werden:
Direkte Verbraucher
ṁD,dV [kg/h] = Dampfmenge für direkte Verbraucher
Bei direkten Dampfverbrauchern wird der Dampf in direkten Kontakt mit den aufzuheizenden Medien gebracht und dort kondensiert. Das entstehende Kondensat wird mit dem Produkt abgeführt (oder verbleibt im Produkt) und steht dem Dampfkreislauf nicht mehr zur Verfügung. Dieser Wasserverbrauch muss als Zusatzwasser durch die Wasseraufbereitungsanlage im Dampfkreislauf wieder ersetzt werden.
Info zu Wasseraufbereitung
Das Zusatzwasser muss im Speisewasserbehälter zur Entgasung erhitzt werden, wodurch der Eigenbedarf der Dampfkesselanlage erhöht wird.
Direkte Verbraucher finden sich beispielsweise bei Trocknungsprozessen, bei der Luftbefeuchtung, bei der Aufheizung von Kochbädern oder bei der Sterilisation.
Die an direkten Dampfverbrauchern benötigte Dampfleistung wird in der benötigten Form als Massenstrom ṁD,dV (Dampfmenge für direkte Verbraucher) in [kg/h] angegeben. Wird für diese Dampfverbraucher eine Wärmeleistung angegeben, so gelten die gleichen Umrechnungsformeln von Wärmeleistung in Dampfleistung wie bei indirekten Verbrauchern.
Indirekte Verbraucher
Die indirekten Dampfverbraucher sind Wärmetauscher aller Art, in denen der Dampf unter Abgabe von Wärme kondensiert und im Gegenzug ein Medium aufgeheizt wird (z. B. Wasser). Das entstehende Kondensat hat dabei zunächst Siedetemperatur entsprechend dem Dampfdruck am Eintritt des Wärmetauschers, kann je nach Temperaturniveau des aufzuheizenden Mediums aber auch noch weiter unter die Siedetemperatur abgekühlt werden. Dies wird dann als unterkühltes Kondensat bezeichnet. Das Kondensat wird über den Entgaser zurück in den Speisewasserbehälter befördert.
Die Wärmeleistung eines Wärmetauschers wird meist in [kW] oder [MW] angegeben. Um die benötigte Dampfleistung in [kg/h] Sattdampf zu ermitteln, muss die Wärmeleistung des Wärmetauschers in eine Sattdampfleistung umgerechnet werden.
Für eine erste, schnelle Erfassung des Sattdampfbedarfs an einem Wärmetauscher kann mit folgender, einfacher Formel gerechnet werden:
Formel zur überschlägigen Berechnung des Bedarfs an Sattdampf von indirekten Verbrauchern
ṁD,iV = Q·WT ∙ 1,8
Beispielrechnung zur überschlägigen Berechnung des Bedarfs an Sattdampf von indirekten Verbrauchern
ṁD,iV
Dampfmenge für indirekte Verbraucher [kg/h]
Q·WT
Wärmeleistung des Wärmetauschers [kW]
1,8
Abschätzfaktor für die Umrechnung
Für einen Dampfdruck von 5 ... 18 bar beträgt die Differenz zur tatsächlichen Dampfleistung < 5 %. Eine mögliche Unterkühlung des Kondensats wird dabei nicht berücksichtigt.
Für die exakte Ermittlung der Dampfleistung aus der Wärmeleistung eines Wärmetauschers muss die Verdampfungsenthalpie bei dem tatsächlichen Betriebsüberdruck des Wärmetauschers aus der Sattdampftafel ermittelt werden.
Info zu Wasser-Dampf-Tafel
Wärmeleistung des Wärmetauschers kann anschließend wie folgt in eine Sattdampfleistung umgerechnet werden:
Formel zur Umrechnung der Wärmeleistung in die Sattdampfleistung
Beispielrechnung zur Umrechnung der Wärmeleistung in die Sattdampfleistung
r
Verdampfungsenthalpie beim jeweiligen Druck [kJ/kg]
Wird das entstehende Kondensat in allen Betriebszuständen unterkühlt, also bis unter die Siedetemperatur abgekühlt, so kann mit Berücksichtigung der Wärmeleistung für die Unterkühlung des Kondensats die Dampfleistung mit folgender Formel berechnet werden:
Formel zur Ermittlung der Dampfmenge für indirekte Verbraucher inkl. Kondensatunterkühlung
cp
Spezifische Wärmekapazität von Wasser [kJ/kgK]
(bis 250 °C kann bei minimalem Fehler mit einem konstanten cp = 4,19 [kJ/kgK] gerechnet werden)
ΔT
Unterkühlung des Kondensats, Temperaturdifferenz TS – TKo,Aus [K]
h"
Sattdampfenthalpie [kJ/kg]
hKo,Aus
Enthalpie des Kondensats direkt vor dem Austritt am Wärmetauscher
Entspannungsdampfverluste
ṁD,ED [kg/h] = Entspannungsdampfmenge
Entspannungsdampf entsteht, wenn heißes, unter Druck stehendes Kondensat auf den Druck unterhalb des Siededrucks entspannt wird. Dies ist z. B. beim Durchströmen von Kondensatableitern oder Ventilen und beim Einströmen von Kondensat in einen offenen, unter Atmosphärendruck stehenden Kondensatsammelbehälter der Fall. Je höher die Temperatur des Kondensats ist, desto mehr Entspannungsdampf entsteht.
Die Menge des entstehenden Entspannungsdampfes kann aus dem Diagramm abgelesen oder aus der Wasser-Dampf-Tafel berechnet werden.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass durch die Unterkühlung von Kondensat die Entspannungsdampfmenge bereits reduziert werden kann. Wird der Entspannungsdampf in die Umgebung abgegeben, muss der Dampfverlust der Kesselanlage wieder als Zusatzwasser zugeführt werden, analog zu den Wasserverlusten bei direkten Verbrauchern.
Der Entspannungsdampf kann auch durch Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung genutzt und dem Wasserkreislauf direkt wieder zugeführt werden.
Info zu Economiser
Wärmeverluste in Dampfleitungen
ṁD,vR [kg/h] = Dampfmenge zum Ausgleich der Wärmeverluste in den Dampfleitungen
Für die Dampfleistungsauslegung ist auch der Wärmeverlust in den Rohrleitungen zu berücksichtigen. Ist ein gut isoliertes Rohrleitungsnetz vorhanden, so kann der Wärmebedarf mit ungefähr 10 kg Dampf pro Stunde und Rohrleitung (10 kgD / (h · 100 m)) abgeschätzt werden.
Für eine genauere Berechnung der Wärmeverluste muss für jeden Rohrstrang eine eigene Berechnung anhand der Nennweite, der Länge der Rohrleitung und der Isolierstärke durchgeführt werden.
Ebenfalls sind die Wärmeverluste an Armaturen, Flanschverbindungen und Behältern entsprechend zu berücksichtigen. Anhaltswerte hierfür sind im Kapitel Effizienz zu finden.
Info zu Isolierung
Leider wird der Wärmeverlust über schlecht oder nur teilweise isolierte Rohrleitungen, Behälter und Armaturen immer noch unterschätzt. Vor allem auch während der Betriebsdauer der Anlagenteile werden zu Revisions- oder Inspektionszwecken die Isolierungen entfernt und nicht wieder angebracht. Die Isolierung von Rohrleitungen (sowohl im Dampf- als auch Kondensatsystem) stellt eine der wirtschaftlichsten Einsparmaßnahmen in bestehenden Anlagen dar.
Wird der Wärmeverlust durch die Rohrleitungen exakt berechnet, so ist der Dampfbedarf für diese Verluste wie der Dampfbedarf für einen indirekten Verbraucher zu bestimmen.
Formel zur Berechnung der Dampfmenge der Wärmeverluste in Rohrleitungen
Beispielrechnung zur Berechnung der Dampfmenge der Wärmeverluste in Rohrleitungen
ṁD,vR
Dampfmenge für Wärmeverluste in Rohrleitungen [kg/h]
Q·vR
Wärmeleistung der Rohrleitungsverluste [kW]
Abschätzfaktor zur Umrechnung
Info zu Wasserdampf Grundlagen
Eigenbedarf der Dampfkesselanlage
Für den Betrieb einer Dampfkesselanlage ist auch ein Anteil an Eigenbedarf der Dampfleistung notwendig. Die tatsächlich für den Eigenbedarf benötigte Dampfleistung kann nur mit genauer Kenntnis der Betriebsweise der kompletten Dampfkesselanlage ermittelt werden. Maßgeblich wird der Eigendampfbedarf von der Aufheizdampfmenge für den Speisewasserbehälter bestimmt.
Der Aufheizdampf am Speisewasserbehälter ist wiederum vom Kondensatrückfluss aus den Dampfverbrauchern mit den jeweiligen Kondensattemperaturen, dem Zusatzwasserbedarf und den Wasserverlusten am Kessel für Absalzung und Abschlammung abhängig.
Die Dampfmenge für den Eigenbedarf wird benötigt, um folgende Wärmeverbraucher zu bedienen. Um für eine erste Auslegung der benötigten Dampfleistung einen ungefähren Anhaltswert zu erhalten, kann der Dampfeigenbedarf wie folgt abgeschätzt werden:
ṁEB [kg/h] = Eigenbedarf der Kesselanlage:
Als Dampfeigenbedarf müssen also etwa 6 ... 16 % der Gesamtdampfleistung der Kessel verwendet werden.
Für eine exakte Berechnung des Dampfeigenbedarfs müssen die genauen Daten für den Zusatzwasserbedarf, die Art der Wasseraufbereitung und die chemische Fahrweise des Kessels, der Kondensatrückfluss mit den Kondensattemperaturen und ggf. die Brennstoffvorwärmung vorliegen.
Der Dampfeigenbedarf kann jedoch durch Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung wie Brüdenkühler, Laugenentspanner, Laugenkühler und Speisewasserkühler bzw. Kondensationseconomiser und eine salzfreie Fahrweise mit Osmose-Wasseraufbereitung erheblich reduziert werden.
Für eine exakte Berechnung der Eigenbedarfsdampfmenge müssen die folgenden Aufheizdampfmengen berechnet werden. Zusammen ergeben sie die Aufheizdampfmenge für den Speisewasserbehälter.
Aufheizung von Zusatzwasser
Um die Dampfverluste im Dampfkreislauf z. B. durch die direkten Verbraucher auszugleichen, muss aufbereitetes Zusatzwasser nachgespeist werden.
In der Entgasung muss das kalte Zusatzwasser von etwa 10 °C auf 103 °C aufgeheizt werden. Die dafür notwendige Wärmeleistung wird als Eigendampfverbrauch direkt von der Dampfleistung des Kessels bezogen.
Formel zur Berechnung des Eigendampfbedarfs für die Aufheizung von Zusatzwasser
ṁEB,ZW
Eigendampfbedarf zur Aufheizung von Zusatzwasser [kg/h]
ṁZW
Zusatzwasserbedarf zur Speisewasseraufbereitung [kg/h]
Temperaturdifferenz zwischen Speisewassertemperatur und Zusatzwassertemperatur TEntg – TZW [K]
Der Zusatzwasserbedarf kann dabei aus der Dampfleistung, der Absalzung, dem Brüdendampf und dem Kondensatrückfluss errechnet werden:
Formel zur Berechnung des Zusatzwasserbedarfs
ṁZW = ṁD,Anl + ṁAS + ṁBD – ṁKo,ges
ṁZW = ṁD,Anl ∙ z
ṁZW ≈ ṁD,Anl ∙ (1 + a + 0,5 % – c)
Zusatzwasserbedarf [kg/h]
ṁ̇D,Anl
Anlagendampfleistung [kg/h]
ṁAS
Massenstrom Absalzung [kg/h]
ṁBD
Massenstrom Brüdendampf [kg/h]
ṁKo,ges
Massenstrom Kondensat gesamt [kg/h]
a
Absalzrate = ṁAS / ṁD,Kes [kg/kg]
c
Kondensatrate = ṁKo,ges / ṁD,Anl [kg/kg]
z
Zusatzwasserrate = ṁZW / ṁD,Anl [kg/kg]
Aufheizung von sauerstoffhaltigem Kondensat
Neben dem Aufheizen von Zusatzwasser muss auch das sauerstoffhaltige Kondensat, welches in offenen Kondensatbehältern gesammelt wird und damit kälter als 103 °C ist, wieder auf Speisewassertemperatur aufgeheizt werden. Häufig liegt die Temperatur von sauerstoffhaltigem Kondensat zwischen 50 ... 90 °C.
Die dafür notwendige Wärmeleistung wird als Eigendampfverbrauch direkt von der Dampfleistung des Kessels bezogen.
Formel zur Berechnung des Dampfeigenbedarfs für die Aufheizung von Kondensat
ṁEB,hKo
Dampfeigenbedarf für die Aufheizung von Kondensat [kg/h]
ṁhKo
Kondensatmenge sauerstoffhaltig [kg/h]
Temperaturdifferenz zwischen Speisewassertemperatur und Kondensattemperatur TEntg – ThKo [K]
Brüdendampf bei der Entgasung
Damit die im Zusatzwasser und im sauerstoffhaltigen Kondensat gelösten Gase, wie Sauerstoff und CO2, auch aus dem Entgaser abgeführt werden können, muss ein Anteil von ungefähr 0,5 % des Massenstroms aus Zusatzwasser und sauerstoffhaltigem Kondensat als Brüdendampf ins Freie abgeführt werden. Der Brüdendampf transportiert dabei den Sauerstoff, den Stickstoff und die ausgetriebene Kohlensäure aus dem Wasser ins Freie.
ṁBD ≈ (ṁhKo + ṁZW) ∙ 0,5 %
Als Wärmerückgewinnungsmaßnahme kann die im Brüdendampf enthaltene Wärme mit einem Brüdenkühler kondensiert und die anfallende Wärmeenergie zur Aufheizung des Zusatzwassers genutzt werden.
Info zu Brüdendampf
Aufheizdampfmenge für Speisewasserbehälter
Der Eigendampfbedarf für die Aufheizung des Speisewasserbehälters kann in folgender Formel zusammengefasst werden:
Formel zur Berechnung des Eigendampfbedarfs für die Aufheizung des Speisewasserbehälters
ṁAD = ṁEB = ṁEB,ZW + ṁhKo + ṁBD
ṁAD
Aufheizdampfmenge [kg/h]
ṁEB
Eigendampfbedarf [kg/h]
Nennauslegungsdampfbedarf für die Kesselanlage
Um den gesamten Dampfbedarf der Anlage zu ermitteln, müssen alle Dampfverbraucher addiert werden:
Formel zur Berechnung des gesamten Dampfbedarfs der Anlage
ṁD,K = ṁD,Anl + ṁEB = ṁD,dV + ṁD,iV + ṁD,vR + ṁEB
ṁD,K
Kesseldampfleistung [kg/h]
ṁD,Anl
ṁD,dV
Dampfmenge für direkte Verbraucher [kg/h]
Dampfmenge für den Ausgleich der Wärmeverluste in Rohrleitungen [kg/h]
Eigenbedarf der Kesselanlage [kg/h]
Beispielrechnungen der Massen- und Energiebilanzen
Im Folgenden werden die Massen- und Energiebilanzen einer Dampfkesselanlage an einem einfachen Beispiel mit einer geringen Anzahl an Komponenten vorgestellt.
Der Vergleich begnügt sich mit der Änderung der zurückgeführten Kondensatmenge und der Art der Wasseraufbereitung, um diesen möglichst anschaulich zu halten. Der wärmetechnische Wirkungsgrad liegt in allen drei Fällen bei etwa 95 %.
Beispiel B1
Beispiel B2
Beispiel B3
Dampfanlage mit hauptsächlich indirekten Verbrauchern (c = 90 %) und einem geringen Anteil direkter Verbraucher (10 %).
Das Zusatzwasser wird aus einer Osmose-Wasseraufbereitung nachgespeist und der Kessel hat eine salzarme Fahrweise.
Dampfanlage mit hauptsächlich direkten Verbrauchern (90 %) und einem kleinen Anteil indirekter Verbraucher (c = 10 %), sodass kaum sauerstoffhaltiges Kondensat zurückkommt.
Das Zusatzwasser wird wie im Beispiel 1 aus einer Osmose-Wasseraufbereitung nachgespeist und der Kessel hat damit eine salzarme Fahrweise.
Dampfanlage mit direkten (60 %) und indirekten Verbrauchern (c = 40 %).
Das Zusatzwasser wird aus einer Enthärtungsanlage nachgespeist und der Kessel hat eine salzhaltige Fahrweise.
Beispielhaft für Anlagen, in welchen der Dampf in Wärme-tauschern gebraucht, aber nur ein Teil des Kondensats zurückgeführt wird (z. B. wegen sehr großer Strecken zu den Verbrauchern).
Beispielhaft für Anlagen, in welchen der Dampf ausschließlich für direkte Verbraucher, wie z. B. bei der Tierfutterherstellung oder in Autoklaven, benötigt wird.
Lediglich bei den Rohrleitungsentwässerungen und einigen Nebenaggregaten wird das Kondensat zurückgeführt.
Beispielhaft für Anlagen, in welchen nur ein Teil des Kondensats zurückgeführt wird bzw. zurückgeführt werden kann, wie z. B. in der Getränkeindustrie mit direkten Verbrauchern (Flaschenreinigung).
Zusammenfassung:
Durch die hochwertige Wasseraufbereitung und hohe Kondensatrate wird nur sehr wenig Aufheizdampf benötigt. Somit kann fast der gesamte vom Kessel erzeugte Dampf in den Verbrauchern genutzt werden. Der spezifische Brennstoffbedarf ist gering.
Durch die hochwertige Wasseraufbereitung bleibt die Absalzrate trotz der geringen Kondensatmenge sehr gering. Da jedoch sehr viel Zusatzwasser aufgeheizt werden muss, ist der spezifische Brennstoffbedarf deutlich höher.
Durch die höhere Absalzrate und die großen Wärmeverluste (ohne Absalzwärmerückgewinnung) sowie die erhebliche Zusatzwassermenge ergibt sich ebenfalls ein höherer spezifischer Brennstoffbedarf.
Benötigte Brennstoffenergie pro kg Dampf zum Verbraucher:
0,724 [kWh/kg]
0,793 [kWh/kg] (+ 9,5 %)
0,755 [kWh/kg] (+ 4,3 % )
Beispielrechnungen der Massen- und Energiebilanzen verschiedener Dampfanlagen
Darstellung der Massen- und Energiebilanz im vereinfachten Fließschema (Darstellung stark vereinfacht)
Brennstoff
Luft
Absalzung
Sattdampf
Sauerstoffhaltiges Kondensat
Brüdendampf
Zusatzwasser
Dampfkessel
Dampfverteiler
Wasserservicemodul
Kamin
Wasser
Dampf
Abgas
Stoffstrom
Druck
Temperatur
