Sachgemäße Entwässerung von Wärmeübertragern

Nicht stauen, ableiten!

von Dr.-Ing. Thomas Straeten, Dr. rer. nat. Maria Luise Abraham

Viele Heizanwendungen, bei denen die Kondensationsenergie des Dampfes genutzt wird, leiden unter Rückstau, mangelnder Entwässerung und damit verbundenen Wasserschlägen. Dieser Beitrag beschreibt die Ursachen solcher Effekte, eine Methode zur Analyse sowie eine bewährte technische Lösung zum reibungslosen Betrieb von Wärmetauschern.

Abb.1 Visualisierung der Rückstaupunkte im Wärmeübertrager unter Verwendung des erweiterten Rückstaudiagramms.

Der Phasenübergang von Sattdampf zu heißem Kondensat kann durch den Druck-Temperatur-Zusammenhang präzise gesteuert werden, so dass die Dampfkondensation an der Heizoberfläche gezielt zur Wärmeübertragung genutzt wird. Die Beheizung von dampfseitig geregelten Wärmetauschern wird durch die Temperaturdifferenz zwischen Soll- und Ist-Temperatur des Produktes geregelt. Ein Stellventil öffnet oder drosselt die Dampfzufuhr und ändert damit den Druck im Dampfraum des Wärmetauschers, was in einer sofortigen Änderung der Heiztemperatur resultiert.

Bei Verminderung des Produktdurchsatzes wird weniger Wärmeleistung und damit weniger Dampf benötigt. Durch die Drosselung des Dampfstellventils strömt weniger Dampf ein. Dadurch wird die Heiztemperatur gesenkt und gleichzeitig der Dampfdruck gemindert. Infolge dessen stellen sich oft sehr geringe Drücke ein, die sogar im Vakuumbereich liegen können. Wie bei einem Ventil bestimmt auch die Druckdifferenz über dem Kondensatableiter den Massenstrom, der durch die Armatur abgeleitet wird.

Problem: Kondensatrückstau

Bei einem sehr geringen Differenzdruck oder gar Vakuum kann deshalb auch ein ansonsten einwandfrei arbeitender Konden­sat­ableiter kein Kondensat oder nur eine sehr geringe Menge ableiten. Dadurch bildet sich Kondensatrückstau im Wärmetauscher, der zu vielen Problemen führt. Neben erhöhter Korrosion sowie Beschädigung durch unterschiedliche Längenausdehnungen im Rohrbündel sind es vor allem Temperaturregelprobleme und Wasserschläge, die dem Anlagenbetreiber zu schaffen machen. Das angestaute Kondensat verkleinert die Heizfläche und hemmt den Wärmeübergang des Prozesses. Bei sinkender Produkttemperatur regelt das Stellventil nach und lässt Dampf nachströmen, was impulsartige Kondensation von Dampfblasen mit sich führen kann. Nach kurzer Zeit ist jedoch die Heiztemperatur wieder zu hoch und das Stellventil drosselt erneut. Dies kann zu unerwünschten Schwankungen der Produkttemperatur führen, weil sich durch ständiges Öffnen und Schließen des Stellventils keine konstante Heiztemperatur einstellt.

Abschätzung des Kondensatrückstaus

Zur Abschätzung des Kondensatrückstaus bei Wärmeübertragern ist die Verwendung eines Rückstaudiagramms hilfreich (Abb.1) [1]. In diesem Diagramm finden sich die Auslastung eines Wärmeübertragers auf der X-Achse sowie Temperaturen und zugehörige Sattdampfdrücke auf den Y-Achsen. Zur Ermittlung des Umstands, ob sich bei der vorliegenden Anwendung ein Kondensatrückstau bildet, werden zunächst die Eintritts- (A) und Austrittstemperatur (B) eingetragen und miteinander verbunden. Anschließend wird die sich daraus ergebende mittlere Temperatur (C) bei 0% Auslas­tung eingetragen. Im nächsten Schritt wird der Punkt des maxi­malen Dampfdrucks im Dampfraum bei 100%iger Auslastung (D) markiert und mit der mittleren Temperatur verbunden. Es gilt zu beachten, dass hier zwar oft der Druck in der Dampfleitung vor dem Stellventil verwendet wird, aber in der Realität der Druck im Dampfraum durch den Druckverlust über das Stellventil noch geringer ist.

Der Gegendruck (E) im Kondensatrückführsystem ändert sich nicht. Er wird als horizontale Line eingezeichnet und schneidet die Line CD. Dieser Schnittpunkt stellt den Rückstaupunkt (RS1) dar, hier bei 70%. Das bedeutet, dass unterhalb einer Aus­lastung des Wärmetauschers von 70% kein Kondensat mehr abgeleitet werden kann.

Zum Ausgleich von Schwankungen im Produktdurchsatz sowie zur Garantie der Leistung von Wärmetauschern sind sie jedoch immer mit einer vergrößerten Wärmeübertragerfläche ausgestattet. Die Flächenreserve beträgt je nach Größe zwischen 20% und 50%. Diesem Einfluss kann bei der Ermittlung des Rückstaupunktes Rechnung getragen werden, indem das Rückstaudiagramm vergrößert wird. Das sogenannte „erweiterte Rückstaudiagramm“ findet hier Anwendung. Der Punkt des maximalen Dampfdrucks (D) verschiebt sich hori­zontal nach links in den Punkt (F) des erweiterten Diagramms, welcher der Flächenreserve des zu untersuchenden Wärmeübertragers entspricht. Durch die Verbindung der Punkte C und F ergibt sich ein neuer Rückstaupunkt (RS2), hier im Beispiel bei 93% Auslastung des Wärmeübertragers.

Dieses realistische Beispiel zeigt, dass je nach Auslegung des Wärmeübertragers bereits bei fast voller Auslastung und bei vollem Dampfdruck der Kondensatableiter nicht mehr für eine zuverlässige Entwässerung des Dampfraumes sorgen kann. Das sollte am besten bereits bei der Planung der Anlage berücksichtigt werden.

Lösung: Pump-Kondensatableiter

Die TLV-Pump-Kondensatableiter-Serie wurde genau für solche Einsatzfälle entwickelt (Abb.2). Sie arbeiten wie ein Kugelschwimmerableiter mit stabilem Hebelmechanismus, mit sehr großem Durchsatz auch bei geringer Druckdifferenz. Je nach Zulauf des Kondensats schwimmt die Kugel mehr oder weniger auf und öffnet oder schließt den Kondensatableiter entsprechend. Solange die Druckdifferenz zwischen Eintritt des Kondensatableiters und dem Austritt groß genug ist, kann das Kondensat abgeführt werden.

Wird diese Druckdifferenz jedoch sehr gering oder gar negativ, kann das Kondensat nicht mehr abgeleitet werden und staut sich wie bei jedem Kondensatableiter zurück. Der Schwimmer ist jedoch ebenfalls mit dem sogenannten „Schnappmechanismus“ verbunden. Erreicht die Schwimmerkugel den oberen Umschaltpunkt, betätigt dieser Mechanismus zwei Ventile: Das Ventil zur Druckausgleichsleitung wird geschlossen, das mit einer Leitung mit höherem Dampfdruck verbundene Einlassventil öffnet und lässt Dampf als Treibmedium einströmen. Dieser Treibdampf drückt dann das Kondensat gegen den in der Kondensatrückführleitung herrschenden Gegendruck hinaus. Dadurch sinkt die Schwimmerkugel wieder ab und beim Erreichen des unteren Schaltpunktes wird der Mechanismus erneut betätigt. Das Einlassventil des Treibmediums wird geschlossen und gleichzeitig wird das Ventil zum Druck­ausgleich geöffnet. Neues Kondensat kann zulaufen und der Zyklus wiederholt sich.

Ein Pump-Kondensatableiter arbeitet somit je nach vorhandenem Differenzdruck als Kondensatableiter oder als mechanische Kondensatpumpe. Die Umschaltung erfolgt automatisch ohne eine externe Regelung. Dampf als Treibmedium ist an einem dampfbeheizten Prozess immer verfügbar. Durch eine rein mechanische Funktionsweise können diese Armaturen auch in explosionsgefährdeten Anlagenbereichen eingesetzt werden. Aufgrund des durchdachten Designs und der Verwendung hoch­wertiger Materialien erreichen die Pump-Konden­satableiter zudem sehr lange Standzeiten.

Durch die sachgemäße Entwässerung mittels Pump-Kondensatableiter wird Kondensatrückstau und alle damit verbundenen Probleme bei dampfbeheizten, temperaturgeregelten Wärmeübertragern eliminiert und die Produktivität des Prozesses gesteigert. Dem Kunden können auch komplett montierte, anschlussfertige Lösungen angeboten werden (Abb.3).

[1] James R. Risko, „Steam Heat Exchangers are Underworked and over-surfaced“, Chemical Engineering, 58-62, November 2004.