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Dampfwärmetauscher und Begleitheizungssystyeme: Bewährte Methoden für Konstruktionsingenieur

Dampfwärmetauscher und Begleitheizungssysteme: Bewährte Methoden für Konstruktionsingenieur

5. Dezember 2018 | Alex Chu, Industrial Steam System SME, Swagelok Field Engineering

Die Entwicklung eines angemessenen Dampfwärmstauschers und oder eines Dampf-Begleitheizungsystems erfordert ein gutes Verständnis der Betriebsfunktionen in dem Werk, in dem das System eingesetzt werden soll. Eine unzureichende Leistung wird häufig darauf zurückgeführt, dass der Entwicklungsingenieur nicht alle Eigenschaften des Dampfsystems beachtet hat. Eine gründliche Prüfung der Betriebsparameter und der Dokumentation des Dampfsystems ist ein wichtiger Schritt. Wenn die Anwendung nicht richtig verstanden wird, kann dies in einer unzureichenden Steuerung oder ungeeigneten Auswahl der Systembauteile führen.

Häufige Probleme bei der Entwicklung und der Produktauswahl

Bei der Entwicklung eines industriellen Dampfsystems müssen alle Grundlagen beachtet werden, um ein vorzeitiges Scheitern oder eine unzureichende Leistung zu vermeiden. Die Experten bei Swagelok haben sich zahlreiche industrielle Wärmeübertragungsanwendungen an verschiedenen Standorten und in unterschiedlichen Industrien gründlich angesehen und herausgefunden, dass die häufigsten Probleme durch die falsche Bauteileauswahl oder unsachgemäße Montage verursacht werden. Zu den möglichen Problemen zählen:

  • Inakzeptable Qualität des Endprodukts
  • Vorzeitiger Ausfall der Bauteile
  • Schlechte Temperaturkontrolle
  • Inadequate Wärmeübertragung
  • Druckstöße
  • Verschmutzung der Wärmeübertragungsgeräte
  • Verstöße gegen Vorgaben oder Normen

Bewährte Methoden für die Entwicklung eines Dampfsystems

Wenn Sie sich an ein paar einfache Richtlinien und bewährte Techniken halten, können Sie die häufigsten Probleme vermeiden, die bei der Entwicklung industrieller Dampfsysteme auftreten können. Die folgenden, in diesem Artikel beschriebenen bewährten Methoden, sollten geprüft und bei der Entwicklung, der Wartung und im Spezifikationsprogramm  für ein Dampfsystem in Ihrem Werk umgesetzt werden, bevor Sie die nächsten Bauteile für Ihren Dampfwärmetauscher und Ihre Begleitheizung auswählen. 

1. Eliminieren von Dampfkondensatablagerungen und -resten

Ein Dampfsteuerungsventil dient dazu, den Dampffluss zwischen 0 und 100% einzustellen. Wenn kein oder niedriger Dampffluss vorliegt, kann es vor dem Einlass des Steuerungsventil zu Kondensatablagerungen kommen. Kondensatablagerungen vor dem Ventil können Druckstöße verursachen. Außerdem kann Kondensat, das durch das Dampfsteuerungsventil fließt zum vorzeitigen Versagen des Ventils führen.

Sie haben allerdings mehrere Optionen, um Kondensatablagerungen zu vermeiden. Installieren Sie eine Tropfstrecke vor dem Ventil, verbessern Sie die Isolierung,legen Sie die Dampfleitung korrekt aus oder installieren Sie vor dem Ventil einen Dampfabscheider. Diese Methoden vermeiden entweder die Kondensation oder ermöglichen, dass das Kondensat vom Ventil abgeleitet wird und mithilfe eines Kondensatabscheiders abgelassen wird.

2. Halten Sie sich an das Reduzierverhältnis für Steuerventile

Wärmeübertragungsbauteile erfordern Steuerventile der richtigen Größe für effektive Prozesssteuerung und langes Sitzleben. Ein wichtiger Faktor bei der Auswahl eines Steuerventils sind die Drosselungsfähigkeit, das Stellverhältnis und der Arbeitsbereich des Ventils.

Alle Ventile haben eine gewisse Menge an unkontrollierbarem Durchfluss, besonders in extremen Bereichen des Ventilhubs aufgrund der Dichtungstoleranzen und der Durchflusslinearität.

Nachstehend werden ein paar Richtlinien für das Reduzierverhältnis für Steuerventile angegeben:

  • Käfig-Steuerventil = 40:1 Reduzierverhältnis liefert die höchste Kontrollierbarkeit.
  • Durchgangs-Regelventil = 30:1 Reduzierverhältnis.
  • Regelventil  = 20:1 Reduzierverhältnis.

Wenn das Steuerventil nicht die richtige Größe aufweist, kann das zu einer unzureichenden Temperatursteuerung, vorzeitigem Verschleiß der Ventilsitze und übermäßigem Geräusch führen. 

3. Installieren Sie ein Manometer vor und hinter dem Steuerventil

Manometer liefern die Informationen, die notwendig sind, um die Zustände in einem System zu verstehen. Sie sollten ein Manometer vor und hinter einem Steuerventil sowie auf der Kondensatrückleitung hinter dem Kondensatabscheider installieren. Damit erhalten Sie die richtigen Daten, die Ihnen dabei helfen, die Druckeigenschaften des Dampfs zu verstehen, der durch den Dampfwärmetauscher fließt. Sie sollten Manometer des Weiteren mit einem Ringsiphon (Siphonrohr) installieren, um zu verhindern, dass hohe Temperaturen und Doppelblock-Absperrventile Wartungsarbeiten nicht im Wege stehen.

4. Installieren Sie Rückschlagventile gegen Vakuum

Alle Dampfsysteme, die nicht von der Dampfzufuhr isoliert werden können und nicht zur Atmosphäre hin offen sind, benötigen einen Rückschlagventil gegen Vakuum. Das umfasst Zubehör, wie Dampfleitungen, Kessel-, Platten- oder Rohrbündel - und Rohrwärmetauscher. Wenn Dampf in einem Gerät abgekühlt wird, entsteht Kondensat. Kondensat macht lediglich 1/1700el des gesamten Volumens seiner Masse aus, gegenüber dem gasförmigen Zustand aus, wodurch ein Vakuum entsteht.

Rückschlagventile gegen Vakuum schützen Dampfsysteme vor Implosion wenn ein System ausgeschaltet wird, weil sie das Entstehen eines Vakuums verhindern. Es wird im Allgemeinen empfohlen, dass alle Dampfgeräte mit einem Entlüftungssystem und einem Rückschlagventil gegen Vakuum ausgestattet werden. Der Gerätehersteller gibt an, wo diese installiert werden sollten.

5. Installieren Sie automatische Entlüftungen

Bei Abschaltungen und Wartungsarbeiten gerät Dampf in die Dampfsysteme. Die Luft muss aus dem System abgelassen werden, bevor das System wieder eingeschaltet wird. Luft in einem Dampfwäremetauschersystem kann sich negativ auf die Wärmeübertragung auswirken und ist oft der Grund für einen langsamen Start. Die Luft im System kann auf den Wärmeübertragungsflächen Grenzschichten bilden—die eine Isolierungswirkung haben und die Wärmeübertragung verhindern. Ein Luftfilm mit einer Dicke von lediglich 1/1000el hat dieselbe Wirkung wie eine Kupferschicht von 33 cm oder eine 5 cm dicke Gusseisenschicht.

Verlassen Sie sich zur Entlüftung nicht auf Kondensatabscheider, weil diese sich am untersten Punkt im System befinden und heiße Luft sich normalerweise am höchsten Punkt im System ansammelt. Automatischer Entlüftungen sind die wirksamste Art und Weise, um Luft aus Dampfsystemen zu entfernen. Eine Entlüftung am Ende einer Dampfleitung oder am höchsten Punkt im System gemeinsam mit einem Rückschlagventil gegen Vakuum wird geöffnet, wenn Luft im System vorliegt.

6. Vermeiden Sie Gegendruck in Wärmeübertragungsgeräten

Bei der Entwicklung von Wärmeübertragungsgeräten für Ihr Dampfsystem wird das Ablassen des Kondensats durch die Schwerkraft oder ein Druckdifferenzial erreicht. Wenn möglich, sollte ein Wärmeübertragungsgerät installiert werden, um schwerkraftbedingtes Ablassen ohne Vertikalhub vor oder nach einem Kondensatabscheider zu gewährleisten. Das ist für jede Anwendung wichtig, die mit einem modulierenden Dampfsteuerventil ausgestattet ist. Einige Anwendungen gestatten schwerkraftbedingtes Ablassen nicht. In diesen Fällen, müssen Sie sichergehen, dass kein unnötiger Gegendruck auf dem Kondensatgerät, wie durch Kondensatabscheider oder Steuerventile, vorliegt. Vorzeitiges Versagen und Leistungsprobleme können sich aufgrund unerwarteten Gegendrucks auf die Ablassgeräte ergeben, was wiederum zu einer Kondensatansammlung im Gerät führt. Daraus resultieren Druckstöße, unzureichende Temperaturkontrolle, reduzierte Effizienz und Korrosionsprobleme.

7. Vermeiden Sie überhitzten Dampf

Typische dampfbeheizte Anwendungen erfordern 100% hochqualitative Sattdampfzufuhr. Diese Qualität bezieht sich auf den Dampf, der keine Wassertröpfchen enthält. Überhitzter Dampf, oder Dampf, der heißer als sein Sättigungspunkt ist, sollte nicht in den Wärmeübertragungsprozess gelangen. Überhitzter Dampf enthält weniger Energie pro Volumeneinheit als Sattdampf und kann zu Leistungsproblemen führen, wenn er bei der Entwicklung eines Dampfsystems nicht berücksichtigt wird. Die Zufuhr von überhitztem Dampf kann durch einen Dampfkühler kontrolliert werden.

8. Absperrbare Kugelhähne

Kugelhähne sind eine sichere, zuverlässige und kostenwirksame Lösung für leckdichte Isolierung in einem Dampfsystem. Kugelhähne ermöglichen dank der Griffausrichtung eine schnelle Erkennung der Stellung. Kugelhähne, die zwei Zoll oder kleiner sind, sind mit Sperrgriffen erhältlich und liefern die höchste Sicherheit bei einer Absperrung/Abschaltung Vergewissern Sie sich, dass Sie von Ihrer Sicherheits- und Inspektionsabteilung Informationen zur Compliance an bestimmten Standorten oder Vorschriften vor Ort bezüglich Absperrungs-/Abschaltungsserfahren für Ihr Dampfsystem erhalten.

9. Die korrekte Auswahl und Größe von Kondensatabscheidern

Kondensatabscheider sind in zahlreichen unterschiedlichen mechanischen Konstruktionen erhältlich. Unterschiedliche Konstruktionen werden für unterschiedliche Anwendungen verwendet und einige sind zuverlässiger als andere. Für Dampfwärmetauscher-Anwendungen ist ein mechanischer Kondensatabscheider am besten zur Durchflusskontrolle geeignet. Für Begleitheizungen können sie je nach Anwendung aus verschiedenen Abscheidertypen auswählen.

Andere Eigenschaften, die bei der Auswahl eines Kondensatabscheiders berücksichtigt werden sollten, sind der maximale und Mindest-Durchfluss, die Anforderungen zum Füllen, die Entlüftung, Funktionstests und Motageoptionen. Swagelok empfiehlt die Verwendung universeller Befestigungen für kleinere Kondensatabscheider, um Wartungs- und Auswechselarbeiten zu erleichtern.

Es ist besser, Kondensatabscheider ohne Sondergeräte zu testen, besonders in geschlossenen Rücklaufsystemen Dazu kann ein nachgelagerter Bypass installiert werden, damit jederzeit eine visuelle Prüfung des abzulassenden Kondensats vorgenommen werden kann.

10. Installieren Sie einen Schmutzfänger, um Kontamination mit Fremdkörpern zu vermeiden

Aufgrund von Korrosion und deren Nebenprodukten kann es in einer Dampfleitung zu Verschmutzungen kommen. Die Verschmutzung kann sich in den Stellelementen des Ventils, den Isolierventil-Sitzen und den Kondensatabscheider-Sitzen ansammeln und zu vorzeitigem Versagen durch Bauteileverschmutzung führen. Ein Schmutzfänger ist wie ein Filter, der verhindert, dass Fremdkörper in das Dampfsystem gelangen.

Bei der Installation eines Schmutzfängers sollten Sie auch immer ein Ausblasventil in einem Absperrsystem installieren und das Material an einem sicheren Ort ablassen. Vergewissern Sie sich, dass der Schmutzfänger im Filterabschnitt in der horizontalen Position installiert wird, um zu vermeiden, dass sich Kondensat im Schmutzfänger anlegt.

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