Dampfkessel: Funktion, Schema & Informationen

Die Themen im Überblick

Dampferzeuger kommen in vielen Bereichen zum Einsatz

Seitdem sich Erfinder wie Heron von Alexandria, Denis Papin oder James Watt mit der Nutzung von Dampf beschäftigten, kommen Dampfkessel in immer neuen Bereichen zum Einsatz. Sie erleichterten Bergleuten die Arbeit, befeuerten die Industrialisierung und sorgten in Lokomotiven dafür, dass sich Reisezeiten deutlich verringerten. Auch heute sind Dampfkessel aus vielen Bereichen nicht mehr wegzudenken. Denn sie liefern zum einen thermische Energie in Heizzentralen oder technische Prozesse. Zum anderen lässt sich Dampf zum Beispiel in Kraftwerken nutzen, um elektrische Energie zu erzeugen. Typische Einsatzbereich sind daher:

• Industrieanlagen
• Wäschereien
• Chemiebetriebe
• Lebensmittelbetriebe
• Holzwirtschaft
• Käsereien
• Kraftwerke

Aber auch in Laboren, technischen Einrichtungen oder sogar Großküchen kommen Dampfkessel immer wieder zum Einsatz.

Unterschiede zwischen Heißwasser, Nass- und Sattdampf

Heißwasser- und Dampfkessel stellen ihren Nutzern Medien mit unterschiedlichen Eigenschaften zur Verfügung. Bei Heißwasser handelt es sich dabei um ein flüssiges Medium mit hohem Druck und Temperaturen von mehr als 100 Grad Celsius. Nassdampf ist ein gasförmiges Medium, in dem sich feine Wassertröpfchen befinden. Er entsteht zum Beispiel, wenn Sattdampf in kühle Umgebungen strömt und zum Teil kondensiert. Sattdampf selbst ist gasförmig und enthält keine Feuchtigkeit. Die Temperatur des trockenen und gesättigten Dampfes hängt dabei vom Druck des Mediums ab. Erhitzen Kessel den trockenen Dampf weiter, entsteht überhitzter Dampf. Dieser weist eine höhere Temperatur auf und ist ebenfalls trocken. Wann welches Medium benötigt wird, hängt von den Einsatzbereichen der Dampfkessel ab.

Dampfkessel sind Bestandteile von Dampfanlagen

Ganz gleich, welche Art von Dampf genutzt wird: Typisch ist der Einsatz als Prozessdampf in sogenannten Dampfanlagen. Diese bestehen neben dem Kessel aus einem Leitungssystem, das Dampf zu verschiedenen Verbrauchern führt und das durch die Nutzung entstehende Kondensat zum Kessel zurückleitet. Zusätzliche Speisewasserbehälter sorgen dafür, dass immer ausreichen Frischwasser mit entsprechenden Wasserwerten vorhanden ist, um die benötigten Dampfmengen zu erzeugen.

Aufbau und Funktion der Dampfkessel

Die prinzipielle Funktion eines Kessels zur Dampferzeugung lässt sich einfach erklären: Denn dabei handelt es sich um einen geschlossenen, mit Wasser befüllten Behälter. Er ist mit einer Feuerungsanlage verbunden, die beispielsweise Gas oder Heizöl verbrennt, um Wärme zu erzeugen. Die Energie geht auf das Wasser über und erhitzt es, bis die Flüssigkeit siedet und in den dampfförmigen Zustand übergeht. Der Dampf strömt aus dem Kessel heraus und lässt sich daraufhin in verschiedenen Prozessen nutzen. Wichtig für die sichere Funktion der Dampfkessel ist jedoch ein ganz bestimmter Aufbau, der unter anderem aus folgenden Komponenten besteht:

• Brenner
• Isolierung
• Speisewassermodul
• Sicherheitsventil
• Abschlammventil
• Absalzventil
• Regelungstechnik

Das folgende Schema zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Dampfkessels mit den wichtigsten Komponenten.

Brenner versorgen Dampfkessel mit Energie

Um Wasser erhitzen und verdampfen zu können, ist thermische Energie erforderlich. Diese liefert ein Brenner, der üblicherweise auf Erd-/Flüssiggas oder Heizöl zurückgreift. Zum Einsatz kommen heute aber auch Brenner für Pellets oder Hackschnitzel, die auf einen nachwachsenden Rohstoff setzen und weitestgehend CO2-neutral arbeiten.

Isolierung um den Kessel reduziert Wärmeverluste

Mit steigenden Temperaturen geht immer mehr Wärme der Feuerung über die Wandungen der Kessel verloren. Das führt zu einem immensen Energieverlust, der sich nur mit einer hochwirksamen Isolierung reduzieren lässt. Dazu kleiden Hersteller Dampfkessel, Rohre und Armaturen komplett in eine starke Dämmung ein. Diese sorgt dafür, dass weniger Wärme aus der Anlage entweicht und somit auch für einen geringeren Verbrauch.

Speisewassermodule liefern aufbereitetes Wasser

Um Dampf erzeugen zu können, benötigen Dampfkessel ausreichend Wasser. Dieses liefern Speisewassermodule. Die Geräte pumpen das flüssige Medium aus dem Speisewasserbehälter und führen es dem Kessel bedarfsgerecht zu. Da Letztere mit sehr hohen Temperaturen arbeiten, kommt es dabei auf besonders gute Wasserwerte an. Diese zu erreichen und sicherzustellen ist die Aufgabe der Wasseraufbereitung. Sie trennt Stoffe wie Kalzium, Magnesium, Sauerstoff und Kohlendioxid aus dem Speisewasser ab, um Ablagerungen oder Lochfraß im Kessel zu verhindern. Während Kalkablagerungen unter anderem die Wärmeübertragung und den Wirkungsgrad stören und so die Leistung mindern, führt Lochfraß unweigerlich zur Zerstörung der Kessel.

Sicherheitsventil schützt Kessel vor zu hohem Druck

Unter bestimmten Umständen kann es passieren, dass der Druck in Dampfkesseln übermäßig stark ansteigt. Es wirken dann immer größere Kräfte auf die Kesselwandungen, die diesen Beanspruchungen nach einer gewissen Zeit nicht mehr standhalten und reißen. Das zu verhindern, ist die Aufgabe eines Sicherheitsventils. Es sitzt auf dem Kessel und öffnet, wenn der Druck einen definierten Wert übersteigt. Das Ventil lässt dann Wasser ab, um den Druck zu senken.

Ventile zum Abschlämmen erhalten den Wirkungsgrad

Da mit der Zeit verschiedenste Inhaltsstoffe aus dem Speisewasser ausfallen, bildet sich am Kesselboden ein fester Belag. Dieser stört die Wärmeübertragung, wodurch Leistung und Wirkungsgrad sinken. Um das zu verhindern, müssen Anlagenbetreiber in regelmäßigen Abständen abschlämmen. Dabei öffnen sie das Abschlammventil am Boden des Kessels, um die Ablagerungen aus dem Kessel auszuspülen.

Regelmäßiges Absalzen gegen Korrosion und Ablagerungen

Neben festen Ablagerungen fallen im Dampfkessel auch Salze aus, die sich beispielsweise als Schaum an der Oberfläche des Kesselwassers ansammeln. Sie lagern sich auf verschiedensten Komponenten der Dampfanlagen ab und erhöhen die Korrosionsgefahr. Über spezielle Absalzventile lässt sich das salzbehaftete Kesselwasser ableiten, um den Salzgehalt des Wassers zu senken. Genau wie das Abschlämmen ist auch das Absalzen regelmäßig zu wiederholen. Über den richtigen Zeitpunkt informiert dabei ein Messgerät, welches den Salzgehalt im Kesselwasser misst.

Regelungstechnik sorgt für sicheren und zuverlässigen Betrieb

Mittels Mess-, Steuerungs- und Regeltechnik gewährleisten Dampfkessel-Hersteller einen sicheren und zuverlässigen Anlagenbetrieb. Denn die Systeme überwachen die wichtigsten Parameter wie den Druck oder die Temperatur der Medien. Sie sorgen dafür, dass alle Komponenten optimal zusammen arbeiten und Anlagenbetreibern die gewünschten Dampfmengen zur Verfügung stehen.

Verschiedene Bauarten der Dampferzeuger

Geht es um den Aufbau der Dampferzeuger, stehen heute verschiedene Bauarten zur Verfügung. Zu den wichtigsten zählen Großwasserraumkessel, Wasserrohrkessel, Schnelldampferzeuger sowie Elektrodampfkessel. Die folgende Übersicht zeigt, was die verschiedenen Typen auszeichnet und voneinander unterscheidet:

• Großwasserraumkessel (auch Flammrohr-Rauchrohr-Kessel) bestehen in ihrer einfachsten Form aus einem großen, mit Wasser befüllten Stahlbehälter. Durch diesen verläuft ein Rohr, in dem Brenner Öl oder Gas verbrennen. Das sogenannte Flammrohr erhitzt sich dabei und überträgt Wärme auf das umliegende Wasser. Moderne Anlagen bestehen zusätzlich aus mehreren Rauchrohrpaketen beziehungsweise Rauchrohrzügen. Diese leiten auch die Abgase der Verbrennung durch das Wasser, um die Wärmeausnutzung zu erhöhen. Zum Einsatz kommen die Dampfkessel vor allem bei kleineren bis mittleren Leistungen und Drücken von bis zu 30 bar. Grund dafür sind die hohen Beanspruchungen des Mantels, der den Druckwerten auch bei großen Durchmessern standhalten muss.
• Wasserrohrkessel führen das zu verdampfende Wasser durch zahlreiche Rohre am Feuerraum vorbei. Die kleineren Rohrleitungen halten den Drücken besser stand und ermöglichen außerdem die automatische Verbrennung von Festbrennstoffen. Abhängig davon, welche Kräfte den Wasserstrom antreiben, unterscheiden Experten hier Dampfkessel mit Zwangs- und Naturumlauf. Bei Naturumlaufkesseln steigt das Wasser durch die zunehmende Dichte auf, bevor es sich in einem höher gelegenen Kessel sammelt. Bei Zwangsumlaufkesseln sorgen Pumpen dafür, dass das zu verdampfende Medium durch die Anlage strömt. Da die Kessel hohen Druckwerten besser standhalten, eignen sie sich für größere Leistungen und Drücke.
• Schnelldampferzeuger basieren auf dem Prinzip der Wasserrohrkessel. Sie sind jedoch deutlich kompakter und somit für kleinere Leistungsbereiche geeignet. Der Vorteil ist hier die kurze Reaktionszeit: Schon wenige Minuten nach dem Anfahren sind die Dampfkessel voll einsatzbereit. Das verkürzt energieraubende Stillstandszeiten und sorgt insgesamt für einen höheren Wirkungsgrad. Außerdem lassen sich Schnelldampferzeuger durch den geringen Wasserinhalt meist ohne aufwendiges Genehmigungsverfahren installieren.
• Elektrodampfkessel arbeiten mit Strom und erzeugen kleine Dampfmengen. Sie eignen sich für die gelegentliche Nutzung in Laboren oder Forschungseinrichtungen und punkten mit kompakten Abmessungen sowie geringeren Anforderungen an die Aufstellung. Arbeiten Dampfkessel elektrisch, setzen sie entweder auf Heizstäbe oder Elektroden, die das Wasser als Elektrolyt nutzen. Typische Einsatzbereiche sind Sterilisatoren in Krankenhäusern oder Labors, Dampfbügeleisen in Wäschereien oder mobile Dampfgeräte, etwa zum Reinigen oder zum Ablösen von Tapete.

Während Dampfkessel üblicherweise stationär, also fest installiert arbeiten, gibt es auch mobile Dampferzeuger. Hier befinden sich aller erforderlichen Komponenten in einem Container, der sich flexibel an nahezu jedem Ort aufstellen lässt. Auf diese Weise können Anlagenbetreiber Ausfälle überbrücken oder kurzfristig höhere Bedarfswerte kosteneffizient abfangen.

Wartung und Prüfung gewährleisten eine hohe Sicherheit

Da von Dampfkesseln eine große Gefahr ausgeht, unterliegen sie zahlreichen Normen und Bestimmungen. Die wichtigsten Anforderungen finden sich dabei in der Dampfkesselverordnung, die unter anderem die Genehmigungspflicht mittelgroßer und großer Kessel regelt. Enthalten sind hier auch Vorgaben zur Wartung und zur Prüfung. Die Arbeiten sind regelmäßig zu wiederholen, um Gefahren rechtzeitig erkennen und somit weitestgehend ausschließen zu können. Im Wesentlichen geht es dabei um:

• eine initiale Untersuchung nach Installation und Inbetriebnahme
• eine Prüfung nach Änderungen oder längeren Stillstandszeiten
• eine wiederkehrende Überprüfung der Druckgeräte selbst
• eine wiederkehrende Prüfung von Komponenten der Druckanlagen (innere Prüfung, äußere Prüfung und Festigkeits- oder Druckprüfung)

Zuständig sind in der Regel zugelassene Überwachungsstellen (ZÜS) wie der TÜV oder die DEKRA. In welchem Turnus die wiederkehrenden äußeren und inneren Prüfungen durchzuführen sind, richtet sich dabei nach der Anlagengröße und nach einer individuellen Gefährdungsbeurteilung. Anforderungen dazu finden sich unter anderem in der TRBS 1201 Teil 2 “Technische Regeln für Betriebssicherheit – Prüfungen bei Gefährdungen durch Dampf und Druck”.