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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 Dampfwärmetauschers und oder eines Dampf-Begleitheizungsystems erfordert ein absolutes Verständnis der Betriebsfunktionen des Systems. Beachtet der Konstruktionsingenieur nicht alle wichtigen Parameter des Dampfsystems, ist unzureichende Leistung die Folge. Eine gründliche Untersuchung und sorgfältige Dokumentation der Betriebsparameter sind notwendig, um die richtigen Bauteile auszuwählen und letztlich Garant für ein funktionierendes System.

Häufige Probleme bei der Entwicklung und der Produktauswahl

Bei der Entwicklung eines industriellen Dampfsystems müssen alle Grundlagen beachtet werden. Nur so kann ein vorzeitiges Scheitern oder eine unzureichende Leistung vermieden werden. Die Experten bei Swagelok haben zahlreiche Wärmeübertragungsanwendungen in verschiedenen Industriezweigen untersucht. Dabei haben sie festgestellt, dass die häufigsten Probleme durch falsche Komponentenauswahl oder unsachgemäße Montage verursacht werden. Zu den möglichen Problemen zählen:

  • Inakzeptable Qualität des Endprodukts
  • Vorzeitiger Verschleiß der Bauteile
  • Schlechte Temperaturmessung
  • Unzureichende Wärmeübertragung
  • Wasserhämmer
  • Ablagerungen in den Bauteilen
  • Nichteinhaltunge von Vorgaben und Normen

Best Practices für die Auslegung eines Dampfsystems

Um gut funktionierende Systeme auszulegen, müssen wichtige Grundlagen beachtet und, wenn möglich, bewährte Techniken eingesetzt werden. Die folgenden, in diesem Artikel beschriebenen Grundlagen und Techniken sollen Sie bei der Systemauslegung unterstützen.

1. Vermeidung von Kondensatablagerungen

Ein Dampfsteuerungsventil dient dazu, den Dampffluss zu regulieren und zu steuern. Bei niedrigem oder keinem Durchfluss kommt es vor dem Ventil zu Kondensatbildung. Verbleibt dieses Kondensat im System, kann das zu schweren Schäden durch z.B. Wasserhämmer kommen. Kondensatablagerungen vor dem Ventil können Druckstöße/ Wasserhämmer verursachen. Wenn das Kondensat in das Dampfsteuerungsventil gelangt, kann dies zum vorzeitigen Versagen des Ventils führen.

Sie haben mehrere Möglichkeiten, Kondensatablagerungen zu vermeiden oder aus dem System zu entfernen. Installieren Sie vor dem Ventil einen Kondensattopf, um das Kondensat zu sammeln und über einen Kondensatabscheider sicher aus dem System zu entfernen. Verbessern Sie die Isolierung und legen Sie die Dampfleitung möglichst optimal aus. Dies sind Methoden, um das Kondensat zu beseitigen und die Kondensatbildung zu vermeiden oder zu minimieren.

2. Einhalten des Reduzierverhältnisses bei Steuerungsventilen

Dampfbeheizungen erfordern die entsprechenden Steuerventile.

Korrekt ausgelegte und dem Prozess angepasste Steuerventile garantieren eine lange Lebensdauer. Wichtige Faktoren bei der Auswahl eines Steuerventils sind die Drosselungsfähigkeit, das Stellverhältnis und der Arbeitsbereich des Ventils. Alle Ventile haben einen optimalen Durchflussbereich, den es bei der Auslegung zu berücksichtigen gilt. Wichtig ist auch, 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 bei Steuerventilen angegeben:

  • Käfiggeführtes Regulierventil = Bei einem Reduzierverhältnis von 40:1 ist bei diesen Ventilen der optimale Bereich.
  • Geradsitz-Regelventil = 30:1 optimales Reduzierverhältnis.
  • Regulierventil = 20:1 Reduzierverhältnis.

Wenn das Steuerventil nicht richtig ausgelegt ist, kann die Temperatursteuerung nicht optimal sein; dies kann zu vorzeitigem Verschleiß der Ventilsitze und zu übermäßiger Geräuschentwicklung führen.

3. Installieren Sie ein Manometer vor und hinter dem Steuerventil

Manometer liefern die notwendigen Informationen, um die Betriebszustände in einem System zu kontrollieren und zu bewerten. Mit einem Manometer vor und hinter dem Steuerventil sowie an der Kondensatrückleitung hinter dem Kondensatabscheider erhalten Sie die Daten, um Ihr System optimal zu überwachen. Um Schäden an den Manometern zu vermeiden, müssen sie durch einen Ringsyphon geschützt werden. Die zusätzliche Installation von Ventilblöcken mit Absperr- und Entlüftungsfunktion ermöglicht Wartungsarbeiten während des Betriebs.

4. Installieren von automatischen Belüftungsventilen (Vacuum Breaker)

Dampfsysteme, die nicht von der Dampfzufuhr isoliert werden können und nicht zur Atmosphäre hin offen sind, benötigen ein Sicherheitsbelüftungsventil, um das System vor Vakuum zu schützen. Wenn Dampf in einem Gerät abgekühlt wird, entsteht Kondensat. Das Kondensat hat gegenüber dem Dampf maximal 1/1700 des Gesamtvolumens. Daher kann innerhalb eines geschlossenen Systems Unterdruck entstehen, der durch ein automatisches Belüftungsventil sehr schnell abgebaut werden muss, um Schäden am System zu vermeiden. Es wird empfohlen, alle Dampfgeräte mit einem automatischem Belüftungsventil auszurüsten. Der Gerätehersteller gibt an, wo diese installiert werden sollten.

5. Installieren Sie eine automatische Entlüftung

Bei Stillstand und Wartungsarbeiten gerät Luft in die Dampfsysteme, die vor Inbetriebnahme wieder entfernt werden muss. Luft in einem Dampfwärmetauscher-System kann sich negativ auf die Wärmeübertragung auswirken und ist oft der Grund für einen verlangsamten Start. Die Luft im System bildet dünne Schichten auf den Wärmeübertragungsflächen. Diese Schichten haben eine isolierende Wirkung und verhindern so die Wärmeübertragung. Ein Luftfilm mit einer Dicke 0,025mm hat dieselbe Wirkung wie eine 33 cm dicke Kupferschicht oder eine 5 cm dicke Gusseisenschicht.

Kondensatabscheider sollten nicht zur Entlüftung verwendet werden; sie befinden sich am untersten Punkt des Systems. Heiße Luft sammelt sich am höchsten Punkt im System. Hier müssen auch die automatischen Entlüftungsventile angebracht werden, am besten zusammen mit den Belüftungsventilen für den Vakuumabbau.

6. Vermeiden Sie Gegendruck im Kondensatabfluss

Das im Dampfsystem anfallende Kondensat wird über Kondensatabscheider aus dem System herausgeführt. Dabei fließt das Kondensat drucklos mit Hilfe der Schwerkraft ab.

Bildet sich in der Ablaufleitung ein Gegendruck z.B. durch aufgestautes Kondensat, ist ein Kondensatabfluss nicht mehr möglich und es kommt spätestens beim Überlauf des Kondensattopfes zu gefährlichen Wasserhämmern. Das muss bei der Auslegung der Kondensatableitungen berücksichtigt werden.

7. Vermeiden Sie überhitzten Wasserdampf

Dampfbeheizungen arbeiten mit Sattdampf energieoptimiert. Überhitzter Dampf hat wesentlich weniger Energie je Volumeneinheit als Sattdampf. Das kann zu einem deutlichen Leistungsabfall des Beheizungssystems führen. In sehr komplexen Systemen kann der Dampf mit einem Dampfkühler kontrolliert werden.

8. Kugelhähne gegen Öffnen absichern

Kugelhähne sind eine sichere, zuverlässige und kostenwirksame Lösung für leckdichte Isolierung in einem Dampfsystem. Kugelhähne ermöglichen dank der Griffausrichtung ein schnelles Erkennen der Stellung. Während der Arbeit an Dampfsystemen werden die Kugelhähne aus Sicherheitsgründen geschlossen und müssen gegen unbeabsichtigtes Öffnen gesichert werden. Setzen Sie deshalb in Ihrem System nur Kugelhähne mit absperrbaren Griffen ein, die unbeabsichtigtes Verstellen und nicht autorisiertes Betätigen verhindern. Das kann im Zweifelsfall Leben retten.

9. 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 Anwendungen mit Dampfwärmetauschern ist ein mechanischer Kondensatabscheider am besten geeignet. Für Begleitheizungen können sie je nach Anwendung aus verschiedenen Abscheidetypen auswählen.

Andere Eigenschaften, die bei der Auswahl eines Kondensatabscheiders berücksichtigt werden sollten, sind maximaler und minimaler Durchfluss, die Anforderungen bei der Inbetriebnahme, die Entlüftung, Funktionstests und Montageoptionen. Swagelok empfiehlt die Verwendung universeller Befestigungen für kleinere Kondensatabscheider, um Wartungs- und Auswechselarbeiten zu erleichtern.

Kondensatabscheider ohne gesonderte Geräte zu testen ist besonders in geschlossenen Systemen von Vorteil. Dazu kann ein nachgelagerter Bypass installiert werden, der jederzeit eine visuelle Kontrolle des Abscheiders ermöglicht.

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 sowie im Sitz des Isolierventils und des Kondensatabscheiders ansammeln und zu vorzeitigem Versagen führen. Ein Schmutzfänger wirkt wie ein Filter, der verhindert, dass Fremdkörper in das Dampfsystem gelangen.

Bei der Installation eines Schmutzfängers sollten Sie zusätzlich ein abschließbares Ausblasventil installieren, um die Verschmutzungen sicher abzulassen. Vergewissern Sie sich, dass der Schmutzfänger so installiert wird, dass sich kein Kondensat im Schmutzfänger ablagert

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