Die Erwärmung und Beheizung von Produkten ist für viele industrielle Prozesse und Anwendungen notwendig. Dabei liegt das hierfür notwendige Temperaturniveau sehr häufig zwischen 100 °C und 250 °C. Sattdampf, oder geringfügig überhitzter Dampf, ist dabei ein optimaler Wärmeträger mit vielen Vorteilen:
Folgende Dampfarten werden unterschieden:
Dampfart
Besonderheit
Anwendung
Restfeuchte
Nassdampf
Kann Erosion in Dampfleitungen verursachen
–
> 3 %
Satt-/Hochdruckdampf
Am häufigsten verwendete Dampfart
Prozesswärme < ~230 °C
Theoretisch: 0 % Techn. Standard: bis 3 %
Heißdampf
Verringerte Wärmeverluste in den Dampfleitungen
Dampfturbinen
0 % (Dampftemperatur > Sättigungstemperatur)
Niederdruckdampf
Fällt nicht unter die Druckgeräterichtlinie. Dadurch erleichterte Aufstell-/Betriebsbedingungen
Prozesswärme bis 0,5 bar, Wäschereien
0 ... 3 %
Kulinarischer Dampf
Einsatz von nicht dampfflüchtigen Dosiermitteln
Lebensmittel- industrie
0 ... 1 %
Reindampf
Erzeugung mittels Edelstahl-Reindampferzeuger mit Hilfe von Sattdampf
Pharmaindustrie, Krankenhäuser
Entspannungsdampf
Entsteht durch Entspannung von unter Druck stehendem Siedewasser
Dampfspeicher (gewollt) Nach Abschlam- mung/Absalzung (zwangsläufig)
0 ... 5 % (im Dampfspeicher)
Unterschiede der einzelnen Dampfarten
Dampf an der Grenzlinie zwischen Nass- und Heißdampf heißt Sattdampf, auch gesättigter Dampf oder trocken gesättigter Dampf, gelegentlich in Abgrenzung zum Nassdampf auch „Trockendampf“. Die in den Dampftafeln angegebenen Tabellenwerte sind exakt auf diesen Zustand bezogen.
Info zu Wasser-Dampf-Tafel
In der praktischen Auslegung für Wärmetauscher oder bei der Berechnung des Dampfbedarfs von thermischen Prozessen wird fast immer mit den Stoffwerten von Sattdampf gerechnet.
Real tritt Sattdampf jedoch nur exakt an der Phasengrenzlinie auf. Bereits ein minimales Abkühlen bei gleichem Druck führt zu Nassdampf oder ein minimales Erhitzen zu Heißdampf. Liegen die Dampfzustände jedoch nahe an der Phasengrenzlinie, kann mit den Stoffwerten für Sattdampf in der Auslegung einer Dampfanlage gerechnet werden.
Zustandsdiagramm für Wasser bzw. Dampf im Temperatur-Enthalpie-Diagramm (T-h-Diagramm) mit den Bezeichnungen der Flächen im technischen Sinne
Nassdampf ist ein Gemisch aus der flüssigen und der dampfförmigen Phase von Wasser. Bei Dampf mit einem sehr geringen Massenanteil Wasser bis ca. 3 % spricht man in der Technik weiterhin von Sattdampf. Dies ist der in industriellen Anlagen zur Beheizung von Produkten am häufigsten vorkommende Dampfzustand.
Bereits beim Ausströmen aus dem Dampfkessel werden kleinste Wassertropfen von der Dampfströmung mitgerissen, so dass im Dampf eine Restfeuchte, also ein flüssiger Anteil (1 ... 3 % der Gesamtmasse), enthalten ist. Diese Restfeuchte kann beim Austritt aus dem Kessel beispielsweise durch den Einbau von Dampftrocknern bis auf etwa 0,5 % der Dampfmenge reduziert werden.
Üblicherweise spricht man in der Technik bei einer Restfeuchte ≤ 3 % immer noch von Sattdampf und nicht von Nassdampf.
Die Restfeuchte ist der Massenanteil Wasser bezogen auf die Gesamtmasse des Gemischs aus Wasser und Dampf. Neben der Restfeuchte gibt es noch den Begriff des Dampfanteils x, welcher dem Anteil Dampf im Gemisch Wasser und Dampf entspricht.
In einer Formel ausgedrückt: Dampfanteil = 100 % – Restfeuchte
Beispiel an der Grenze des technischen Sattdampfes: 100 % – 3 % Restfeuchte = 97 % Dampfanteil
Abbildung oben
Durch den in allen Dampfleitungen entstehenden Wärmeverlust an die Umgebung wird ein Teil des Dampfs wieder kondensiert, so dass hier auch immer feuchter Dampf mit einem kleinen Wasseranteil in den Rohrleitungen vorliegt. Dieser Wasseranteil muss in geeigneten Abständen und vor Regelarmaturen sowie senkrechten Leitungsabschnitten aus dem Dampf entfernt werden (z. B. mit Kondensatableitern).
Nassdampf mit sehr geringem Dampfmassenanteil tritt z. B. bei der Nachverdampfung nach Schwimmerkondensatableitern auf. Zu beachten ist dabei vor allem, dass die Volumenzunahme bei der Nachverdampfung sehr groß ist. In der Dimensionierung von Kondensatleitungen muss dies berücksichtigt werden.
Info zu Kondensatleitungen
Wird dem Sattdampf weiter Wärme zugeführt, so erhöht sich bei gleichem Druck die Temperatur des Dampfs. Man spricht dann von Heißdampf oder überhitztem Dampf. Heißdampf kann in Großwasserraumkesseln mit dem zusätzlichen Modul des Überhitzers erzeugt werden. Dabei können Temperaturen ≤ 100 K über der Sattdampftemperatur erreicht werden.
Überhitzter Dampf wird zum Antrieb von Gasturbinen oder zur Dampfverteilung über sehr große Entfernungen eingesetzt, da es trotz des Wärmeverlusts noch nicht zur Kondensation kommt.
Zu beachten ist jedoch, dass der Wärmeübergang von Heißdampf bis zum Einsetzen der Kondensation geringer ist. Deshalb ist überhitzter Dampf zur Beheizung in Wärmeüberträgern auch etwas schlechter geeignet als Sattdampf.
Dampf mit einem Druck p ≤ 0,5 bar (1,5 bara, 110 °C) wird als Niederdruckdampf bezeichnet. Dampf mit einem Druck p > 0,5 bar wird als Hochdruckdampf bezeichnet. Die Unterscheidung kommt ausschließlich aus den Vorschriften zur Aufstellung und dem Betrieb von Dampfkesselanlagen, da für Hochdruckdampf besondere Betriebs-, Aufstellungs- und Überwachungsbedingungen gelten. Da Niederdruckdampf eine sehr geringe Dichte aufweist und daher Rohrleitungen, Armaturen und Apparate sehr groß dimensioniert werden müssen, wird dieser üblicherweise nur für kleine Dampfleistungen (bis etwa 3 t/h) und kurze Wege eingesetzt.
Info zu Sicherheitsventilausblaseleitung
Kulinarischer Dampf entspricht technischem Sattdampf mit der zusätzlichen Anforderung, dass keine dampfflüchtigen Dosiermittel zur Alkalisierung und Restsauerstoffbindung eingesetzt werden.
Die Anwendung erfolgt, wie der Name bereits vermuten lässt, bei der Verarbeitung von Lebensmitteln für Mensch und Tier. Der Dampf kann dabei in direkten Kontakt mit den Lebensmitteln gebracht werden (z. B. beim Schälen von Kartoffeln).
Reindampf oder auch Reinstdampf wird mit Hilfe von speziellen Edelstahl-Verdampfern, welche mit gewöhnlichem Sattdampf beheizt werden, erzeugt.
Zur Anwendung kommt dieser insbesondere dort, wo sehr hohe Anforderungen an die Sterilität des Dampfs gestellt werden (z. B. in Krankenhäusern zur Sterilisierung von Operationsbesteck oder in der Pharmaindustrie).
Entspannungsdampf entsteht an vielen Stellen einer Dampfkesselanlage und muss dementsprechend berücksichtigt werden.
Dies ist unter anderem beim Abschlammentspannungsgefäß oder an offenen Kondensatbehältern der Fall, wo der Entspannungsdampf zu Wärmeverlusten führt. Entspannungsdampfverluste können durch entsprechende Wärmerückgewinnungsmaßnahmen verringert werden.
Am Dampfspeicher wird die Nachverdampfung von siedendem Wasser ganz bewusst ausgenutzt, um kurzfristig besonders hohe Dampfmengen zur Verfügung stellen zu können.
Info zu Absalzen und Abschlammen
Info zu Dampfspeicherung
Entspannungsdampf/Nachverdampfung:
Reduziert man den Druck von heißem, flüssigem Wasser unter den Siededruck, verdampft ein Teil des Wassers und trennt sich in die flüssige und die dampfförmige Phase auf. Die Temperatur von Wasser und Dampf verringert sich dabei auf die Siedetemperatur des anliegenden Drucks.
Dieser physikalische Effekt wird häufig Nachverdampfung genannt.
Beispiel:
Wasser mit einer Temperatur von T = 195 °C wird auf einen Druck von p = 4 bar entspannt. Die Enthalpie (Energie) des Systems bleibt bei der Entspannung konstant. Gleichzeitig bleibt die Masse des Systems ebenfalls konstant, es kann also eine Energiebilanz in Form einer Enthalpiebilanz aufgestellt werden.
Energie im System vor der Entspannung = Energie im System nach der Entspannung
Gleichung der Energiebilanz bei der Entspannung
h = (1 − x) ∙ h' + x ∙ h''
Gleichung zur Berechnung des Massenanteils von Entspannungsdampf
Beispielrechnung zur Ermittlung des Massenanteils von Entspannungsdampf
x
Massenanteil Entspannungsdampf [%]
h
Enthalpie [kJ/kg]
h'
Enthalpie des Siedewassers [kJ/kg]
h''
Enthalpie des Sattdampfs [kJ/kg]
r
Verdampfungsenthalpie [kJ/kg]
