Dampfkessel sind leistungsstarke Wärmeerzeuger, die Dampf mit hohem Druck bereitstellen. Sie wissen schon, welche Dampfkesseltechnik Sie benötigen und möchten ein Angebot?
Dampferzeuger kommen in vielen industriellen Bereichen zum Einsatz und ermöglichen es, mit einem vergleichsweise geringen Massenstrom viel Energie zu transportieren. Geht es um ihre Funktion, sind heute verschiedene Bauarten verfügbar. Deutsche-Thermo.de zeigt, welche das sind und gibt die wichtigsten Informationen zu Aufbau und Einsatz der Dampfkesseltechnik.
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 ist die Dampfkesseltechnik aus vielen Bereichen nicht mehr wegzudenken. Denn sie liefert 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 Einsatzbereiche sind daher:
- Industrieanlagen
- Wäschereien
- Chemiebetriebe
- Lebensmittelbetriebe
- Holzwirtschaft
- Käsereien
- Kraftwerke
Aber auch in Laboren, technischen Einrichtungen oder sogar Großküchen kommen Dampfkessel und Industrie-Dampferzeuger 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 der Dampfkesseltechnik 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 ausreichend Frischwasser mit entsprechenden Wasserwerten vorhanden ist, um die benötigten Dampfmengen zu erzeugen.
Dampfkessel: Aufbau und Funktionsweise
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 in der Regel 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 ein Aufbau aus folgenden Komponenten:
- Brenner
- Isolierung
- Speisewassermodul
- Sicherheitsventil
- Abschlammventil
- Absalzventil
- Regelungstechnik
Das folgende Schema zeigt den prinzipiellen Dampfkessel-Aufbau mit den wichtigsten Komponenten.
Brenner versorgen Dampfkesseltechnik mit Energie
Um Wasser erhitzen und verdampfen zu können, ist thermische Energie erforderlich. Diese liefert ein Brenner im Dampfkessel-Aufbau. Das Gerät greift dabei üblicherweise auf Erd-/Flüssiggas oder Heizöl zurück. 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 an der Dampfkesseltechnik 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 Kesseldruck übermäßig stark ansteigt. Es wirken dann immer größere Kräfte auf die Wandungen, die diesen Beanspruchungen nach einer gewissen Zeit nicht mehr standhalten und reißen. Das zu verhindern, ist die Aufgabe eines Sicherheitsventils im Dampfkessel-Aufbau. 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 der Dampfkesseltechnik, um Ablagerungen auszuspülen.
Regelmäßiges Absalzen gegen Korrosion und Ablagerungen
Neben festen Ablagerungen fallen im Dampfkessel-Aufbau 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 Dampfkesseltechnik
Geht es um den Dampfkessel-Aufbau, 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 im Dampfkessel-Aufbau. 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 im Dampfkessel-Aufbau dafür, dass das zu verdampfende Medium durch die Anlage strömt. Da die Kessel hohen Druckwerten besser standhalten, eignen sie sich als Industrie-Dampferzeuger 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 Tapeten.
Während Dampfkessel üblicherweise stationär, also fest installiert, arbeiten, gibt es auch mobile Dampferzeuger. Hier befindet sich die gesamte Dampfkesseltechnik 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 am Dampfkessel-Aufbau 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“.
Dampfkessel auslegen: Darauf kommt es an
Die Auslegung der Dampfkesseltechnik wirkt sich in vielerlei Hinsicht auf den Betrieb technischer Anlagen aus. Richtig geplant, versorgen Dampfanlagen Prozesse zu jeder Zeit mit der richtigen Menge Dampf. Sie laufen gleichmäßig, haben einen geringen Wartungsaufwand und erreichen eine hohe Effizienz. Neben den technischen Abläufen beeinflusst das auch die Kosten, die sich stark auf das Betriebsergebnis auswirken. Eine fachgerecht und passgenau ausgelegte Dampfanlage arbeitet sparsam und verursacht keine unnötigen Kosten. Sie nutzt mögliche Einsparpotenziale aus und verbraucht vergleichsweise wenig Energie. Die Folge: Betriebe senken ihre Ausgaben. Sie erreichen eine höhere Wirtschaftlichkeit und können günstig sowie zuverlässig produzieren.
Die wichtigsten Ziele bei der Auslegung von Dampfkesseln:
- Anforderungen an Dampf (Menge und Qualität) optimal decken
- zuverlässigen und wartungsarmen Betrieb der Anlage erreichen
- Kosten bei der Anschaffung nicht unnötig in die Höhe treiben
- Energieeinsparpotenziale ausnutzen und Energiekosten senken
Darüber hinaus kommt es bei der Wahl des richtigen Dampfkessel-Aufbaus auch auf Umwelt- und Klimaschutz an. Das betrifft vor allem die Brennstoffversorgung und die Behandlung von Abgasen sowie anderen Reststoffen.
Art, Restfeuchte und Einsatzbereich individuell bestimmen
Dampf ist ein hervorragender Energieträger mit zahlreichen positiven Eigenschaften. Wie er beschaffen sein muss, hängt dabei vom geplanten Einsatz ab. Relevant sind vor allem die Restfeuchte und die Qualität bzw. Reinheit. Viele Anlagen kommen mit Sattdampf oder leicht überhitztem Dampf zurecht – andere benötigen besonders heißen oder reinen Wasserdampf. Die folgende Tabelle hilft, eine Auswahl zu treffen.
| Dampf Art | Eigenschaften/ Restfeuchte | Einsatzgebiete |
|---|---|---|
| Nassdampf | Gemisch aus Wasserdampf und flüssigem Wasser mit einer Restfeuchte von mehr als 3 Prozent | in der Regel keine (minderwertiger Dampf mit geringer Wärmeleistung und Problemen für die Dampfanlage) |
| Sattdampf | Trockener Dampf mit einer Restfeuchte von 0 bis maximal 3 Prozent | viele technische Prozesse mit einer Temperaturanforderung von maximal 230 Grad Celsius |
| Hochdruckdampf | in der Regel konventioneller Sattdampf mit einer Restfeuchte von 0 bis maximal 3 Prozent | viele technische Prozesse als Industrie-Dampferzeuger mit einer Temperaturanforderung von maximal 230 Grad Celsius ohne besondere Druckanforderungen |
| Heißdampf | überhitzter Dampf mit einer Temperatur von 300 bis 600 Grad Celsius und einer Restfeuchte von 0 Prozent | Dampfturbinen |
| Niederdruckdampf | Sattdampf mit einem Druck von 0,5 bar oder weniger; vorteilhaft sind geringere Sicherheitsanforderungen; nachteilig sind größere Rohrdurchmesser durch die geringere Dichte | kleine Anlagen mit einem Bedarf von maximal 3 Tonnen pro Stunde |
| Schwarzdampf (auch Heizdampf) | in der Regel Sattdampf für den Einsatz zum Heizen | Dampfheizungen |
| Reindampf | Sattdampf als gefilterter Dampf, Reindampf oder Reinstdampf ohne Partikel, Dichtungsabrieb oder Ähnliches; Reinheitsgrad nimmt mit der Klasse zu | medizinische Anwendungen |
| Lebensmitteldampf | Sattdampf mit besonderen Anforderungen an Inhaltsstoffe; in der Regel ohne Dosiermittel erzeugt | Lebensmittelbereich |
Weitere Informationen zum Thema haben wir im Beitrag Dampf: Arten und ihre Unterschiede zusammengestellt.
Neben der Restfeuchte und der Reinheit spielen auch Druck und Temperatur wichtige Rollen beim Auslegen von Dampfkesseln. Beide Werte hängen in aller Regel zusammen, wie unsere Dampftafel zeigt. Wie hoch sie sein sollten, hängt von der zu versorgenden Anlage bzw. vom zu versorgenden Prozess ab.
Der Dampfbedarf steigt mit dem Energiebedarf von Prozessen oder Anlagen und lässt sich in der Regel aus den Produkt- oder Planungsunterlagen ablesen. Je größer die benötigte Dampfmenge ist, umso mehr Leistung ist nötig, wenn Planer einen Dampfkessel auslegen.
Bei der Ermittlung des nötigen Massenstroms sind dabei einige Punkte zu beachten:
- Eigenverbrauch beachten, den Dampfanlagen z. B. zur Wasservorwärmung benötigen
- Verluste von Rohrleitungen, Armaturen und anderen Einbauten berücksichtigen
- Gleichzeitigkeiten berücksichtigen, um Leistung auf ein Minimum zu reduzieren
- Reserven für mögliche Spitzenlasten in die Bilanzierung einfließen lassen
- redundanten Betrieb einplanen, falls dieser in der Anlage erforderlich ist
- unterschiedliche Lastprofile bei Regelkonzepten frühzeitig heranziehen
- mögliche Anlagenerweiterung bei Bedarf zu Beginn der Planung berücksichtigen
Fachplaner und Handwerker helfen dabei, die benötigten Werte zu definieren und so die Grundlage für den passenden Dampfkessel-Aufbau zu schaffen.
Übrigens:
Um zeitweise anstehende Spitzenlasten zu überbrücken, die Gaskesseltechnik zu erweitern oder geforderte Redundanzen sicherzustellen, lassen sich auch mobile Dampfkessel mieten.
Voraussetzung: Wasser und Brennstoff für den Dampfkessel-Aufbau
Um Dampf erzeugen zu können, sind grundsätzlich zwei Punkte wichtig: Zum einen benötigen Anlagen Wärme, die in der Regel bei der Verbrennung von Gas, Öl oder anderen Energieträgern entsteht. Zum anderen benötigen sie Wasser, das unter großer Hitze in den dampfförmigen Aggregatzustand übergehen kann. Im Zuge der Auslegung der Dampfkesseltechnik ist rechtzeitig zu klären, welche Stoffe verfügbar sind und was in Bezug auf deren Qualität bekannt ist.
Während Heizöl, Erdgas und Flüssiggas zu Standard-Brennstoffen mit einer hohen Qualität gehören, lassen sich in Dampfanlagen auch andere Energieträger einsetzen. Dazu gehören erst einmal natürliche Rohstoffe wie Holz (meist in Form von Hackschnitzeln) oder Biogas. Aber auch Abfallprodukte aus anderen Prozessen lassen sich zum Befeuern der Kessel verwenden. Dazu gehören etwa Styrol, Tierfett oder Fischöl. Genau wie Mittel- und Schweröl setzt das nicht nur einen besonderen Brenner, sondern oft auch eine eigene Aufbereitung voraus. So sind Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität erst einmal aufzuwärmen.
Welcher Brennstoff zum Einsatz kommt, hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:
- Ist ein öffentlicher Anschluss bei der geplanten Leistung nötig und möglich?
- Lassen Platz und Gewässerschutz eine Tankanlage auf dem Gelände zu?
- Wie effizient ist er Einsatz der verschiedenen Brennstoffe in einem Dampfkessel?
- Welche Umweltwirkungen sind zu erwarten und was für Vorgaben gibt es?
- Wie verhalten sich die Preise der Brennstoffe? Sind sie stabil und günstig?
- Wie wirkt sich der Brennstoff auf die Funktion der Anlage aus (Regelbereich etc.)?
Antworten auf diese Fragen helfen dabei, den passenden Brennstoff zu finden und die Anforderungen an die Auslegung der Dampfkesseltechnik entsprechend zu definieren. In der Vergangenheit waren Erd- und Flüssiggas dabei häufig im Vorteil, da sie sauber, effizient, platzsparend und mit einer guten Regelbarkeit verbrennen.
Neben den Brennstoffen ist Wasser der wichtigste Rohstoff für den Betrieb von Dampfanlagen. Für die Auslegung des Dampfkessels kommt es dabei vor allem auf die Verfügbarkeit und die Qualität an.
Grundsätzlich lässt sich Wasser aus dem Netz oder in Form von Kondensat aus der Anlage selbst beziehen. Wichtig ist in jedem Fall, dass es eine hohe Reinheit aufweist. Auf diese Weise lässt sich die geforderte Dampfqualität sicherstellen (insbesondere bei Rein-/Reinstdampf) und Ausfällungen von Kalkstein bleiben weitestgehend aus. Vor allem der zuletzt genannte Punkt ist entscheidend für Zuverlässigkeit und Effizienz. Denn Ablagerungen an der Kesselwand stören die Wärmeübertragung. Sie reduzieren die Effizienz, mindern die Leistung und führen infolgedessen zu höheren Wartungs- und Reinigungskosten.
Um das zu vermeiden, ist häufig eine sogenannte Speisewasseraufbereitung nötig. Diese kann unter anderem aus einem Enthärter, einem Entsalzer sowie einem Entgaser bestehen und ist an die Wasser- und Anlageneigenschaften anzupassen. Bei schwankenden Qualitäten lohnt es sich zudem, diese mit einem Diagnosegerät zu überwachen.
Unser Tipp: Schon vor der Auslegung des Dampfkessels lohnt es sich, eine Wasseranalyse vom Versorger anzufordern. Neben der aktuellen Qualität sind dabei auch Informationen über mögliche Schwankungen wichtig.
Übrigens:
Bei begrenzten Dampfleistungen kommen auch elektrisch betriebene Dampfkessel zum Einsatz. Diese nutzen Strom aus dem Netz oder aus einer Erneuerbare-Energien-Anlage, um Wasser zu erhitzen und zu verdampfen.
Energieeffizienz: Potenziale bei der Auslegung von Dampfkesseln
Energieeffizienz und Umweltschutz beeinflussen die Kosten stark und sollten bei der Auslegung des Dampfkessels ausreichend Beachtung bekommen. Im Wesentlichen geht es dabei darum, Energiemengen aus Stoffen, Prozessen oder Anlagen zurückzugewinnen, um den Brennstoffbedarf zu reduzieren. Das wirkt sich direkt auf die Betriebskosten aus und begünstigt die Wirtschaftlichkeit. Ein geringer Verbrauch geht parallel dazu aber auch mit niedrigeren Schadstoff- und CO₂-Emissionen einher. Neben der Umwelt profitieren davon auch Anlagenbetreiber, die geringere CO₂-Kosten zahlen.
Die folgende Übersicht zeigt einige Komponenten und Lösungen für den Dampfkessel-Aufbauf, mit denen die Effizienz steigt.
Strömen die Abgase der Verbrennung aus dem Dampfkessel, enthalten sie noch immer viel Energie. Der Economiser, ein Abgaswärmeübertrager, koppelt diese aus, um damit die Verbrennungsluft oder das Speisewasser vorzuwärmen. Die Bauteile erhöhen damit den Wirkungsgrad spürbar. Das gilt vor allem dann, wenn sie auch den Brennwert nutzen. Dabei kühlen die Wärmeübertrager die Abgase so stark ab, dass der enthaltene Wasserdampf kondensiert und zusätzliche Kondensationswärme abgibt.
Um die Betriebssicherheit einer Dampfanlage zu gewährleisten, lässt diese überschüssigen Dampf, sogenannten Brüdendampf, entweichen. Mit einem Brüdenwärmetauscher oder Brüdenkühler ist es möglich, die enthaltene Wärme im Prozess zu nutzen und den Wirkungsgrad der Dampferzeugung zu steigern.
Die Luft für die Verbrennung kommt meist mit niedrigen Temperaturen von außen. So ist ein Teil der Brennerwärme nötig, um diese auf höhere Temperaturen zu bringen. Erfolgt die Erwärmung vor dem Eintritt in den Kessel, verbraucht dieser weniger Energie. Der Wirkungsgrad steigt und die Verbrauchskosten sinken. Realisieren lässt sich das mit einem Wärmeübertrager zur Luftvorwärmung, der zum Beispiel mit dem Economiser gekoppelt ist.
Mit einem Economiser lässt sich überschüssige Abgaswärme auf das Speisewasser übertragen. Das funktioniert besonders effizient, wenn das Speisewasser mit niedrigen Temperaturen in den Wärmeübertrager eintritt, da sich die Abgastemperatur dann stärker senken lässt. Ein Speisewasserkühler ermöglicht das. Denn dabei handelt es sich um einen Wärmeübertrager, der dem Wasser Wärme entzieht, um diese an einer anderen Stelle im Prozess wieder einzusetzen.
Bei konventionellen Kondensatsystemen geht Dampf verloren, wenn sich dieser entspannt. Anders verhält es sich bei einem Hochdrucksystem für das Kondensat. Es kommt zum Einsatz, wenn die Verbraucher bei etwa gleichem Druck arbeiten und sorgt dafür, dass sehr viel Kondensat zum Kessel zurückströmt, wo es sich direkt nutzen lässt. Das senkt den Energiebedarf zur Vorwärmung (Aufbereitung) und den Bedarf an chemischen Substanzen, die zur Stabilisierung des Speisewassers nötig sind.
Konventionelle Motoren, die als Antrieb für Pumpen und Gebläse im Kessel zum Einsatz kommen, arbeiten kontinuierlich mit gleicher Drehzahl. Sie verbrauchen mehr als nötig und stören die Wirtschaftlichkeit. Setzen Betreiber hier auf eine Drehzahlregelung, reduzieren sie Energieverbrauch und Betriebskosten gleichermaßen.
Durch eine individuelle bedarfs- und zeitgesteuerte Regelung liefert der Dampfkessel immer die benötigte Leistung. Er verbraucht weniger und die Betriebskosten sinken. Ein positiver Nebeneffekt ist der geringere Verschleiß, der in der Regel zu einer längeren Lebensdauer führt.
In vielen Anlagen geht ein großer Teil des Kondensats verloren – etwa durch Undichtigkeit oder ungünstig konfigurierte Verbraucher. Optimieren Betreiber das und führen regelmäßige Wartungs- sowie Nachbesserungsarbeiten an der Anlage durch, lässt sich die zurückgeführte Kondensatrate oftmals von etwa 70 auf 90 Prozent steigern. Die dadurch nutzbare Wärme sorgt für hohe Einsparungen.
Das zurückgeführte Kondensat transportiert in der Regel hohe Energiemengen, die sich an verschiedenen Stellen im Prozess auskoppeln und nutzen lassen. So zum Beispiel zur Speisewasservorwärmung oder zur Entgasung. Aber auch für die Warmwasserbereitung, die Heizung oder die Lüftung im umliegenden Gebäude lässt sich die Wärme des Kondensats oft wirtschaftlich nutzen.
Eine optimale Isolierung reduziert Wärmeverluste und sorgt dafür, dass ein größerer Teil der erzeugten Energie der Verdampfung zugutekommt. Infolgedessen sinken Brennstoffverbrauch und Schadstoffausstoß.
Wärmebrücken sind thermisch geschwächte Bauteile, die erhöhte Wärmeverluste verursachen. Ein Beispiel dafür ist die Befestigungsschelle an einem Rohr. Unterbricht diese die Dämmung, leitet sie Wärme an die Umgebung ab. Mit speziellen Dämmkonzepten und wärmebrückenfreien Befestigungen lässt sich das vermeiden und der Dampfkessel verbraucht weniger.
Wichtig zu wissen:
Bei der Auslegung eines Dampfkessels ist zu prüfen, welche der Einsparmaßnahmen günstig umsetzbar sind. Ein ausgewogenes Verhältnis von Investition und Einsparung ist dabei besonders wichtig, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu gewährleisten.
Bei der Auslegung der Dampfkesseltechnik auf örtliche Gegebenheiten achten
Die beste Auslegung des Dampfkessels bringt wenig Erfolg, wenn sich die Anlage nicht in die umliegende Anlage einbringen lässt. Aus diesem Grund benötigt auch diese im Rahmen der Kesselplanung ausreichend Aufmerksamkeit. Wichtig sind unter anderem grundlegende Faktoren zum Standort. Liegt dieser in der Nähe einer Küste, in einem Wasserschutzgebiet oder sogar in einem Erdbebengebiet? In all diesen Fällen ist die Technik entsprechend anzupassen, um mögliche Risiken zu reduzieren und Unfällen vorzubeugen.
Wichtig:
Besondere Anforderungen bestehen auch dann, wenn das Kesselhaus in der Nähe von Wohngebieten oder anderen schützenswerten Bereichen liegt. In solch einem Fall ist bei der Auslegung der Dampfkesseltechnik darauf zu achten, dass häufig strengere Emissionsgrenzwerte gelten.
Wichtig ist es darüber hinaus auch, die bauliche Anlage selbst zu berücksichtigen. Denn diese muss ausreichend Platz bieten, um den gesamten Dampfkessel-Aufbau einzubringen. Die Tragfähigkeit des Fundaments muss gegeben sein und ausreichend Freiraum für Installations- und Wartungsarbeiten ist ebenfalls nötig. Um den Kessel am geplanten Ort aufstellen zu können, benötigen die Kesselhäuser außerdem ausreichend groß dimensionierte Zugänge. Ist das nicht der Fall, kommen Containeranlagen infrage oder Handwerker müssen vorübergehende Durchbrüche in der Außenwand schaffen.
Für den Dampfkessel-Aufbau spielt auch die Verrohrung eine wichtige Rolle. Diese muss sich in das Gebäude integrieren lassen, was ausreichend tragfähige Decken sowie Wände und Freiräume zur Installation voraussetzt. Ähnlich verhält es sich mit zusätzlich nötigen Komponenten, für die ebenfalls ausreichend Platz im Kesselhaus erforderlich ist.
Recht und Gesetz: Geltende Vorschriften bei der Auslegung von Dampfkesseln
Da von Dampfanlagen vor allem im Hochdruckbereich eine gewisse Gefahr ausgeht, stellt der Gesetzgeber hohe Anforderungen an die Anlagensicherheit. Diese betreffen zum einen den Betrieb der Anlage selbst, bei dem es in keinem Fall zu Problemen oder Schäden durch zu hohe Drücke kommen darf. Zum anderen geht es aber auch um die Emissionen. So ist bei der Auslegung der Dampfkessel darauf zu achten, die umliegende Umwelt zu schützen.
Die folgende Übersicht zeigt wichtige Gesetze, die im Rahmen der Kesselplanung zu beachten sind (Auszug):
- Druckgeräterichtlinie (Richtlinie 2014/68/EU)
- Maschinenrichtlinie (Richtlinie 2006/42/EG)
- Gasgeräterichtlinie (Verordnung (EU) 2016/426)
- Gefahrstoffrichtlinie
- Explosionsschutzrichtlinie
- Betriebssicherheitsverordnung
- Emissions- und Immissionsgesetze
- Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG)
- Gefahrstoffverordnung (GefStoffV)
- Wasserhaushaltsgesetz (WHG)
- Bauordnung
- Wasser/Gewässerschutz (VAwS)
- Brandschutz
- regionale Emissionsanforderungen
Welche Anforderungen zu berücksichtigen und welche Genehmigungen einzuholen sind, hängt unter anderem von der Lage, der Größe und der Fahrweise der Dampfanlage ab. Ein Fachplaner weiß das und berücksichtigt die geltenden Vorgaben bei der Auslegung von Dampfkesseln von Beginn an. Auf diese Weise lassen sich häufige Revisionen und langwierige Planungsprozesse weitestgehend vermeiden.
Auslegung: Dampfkessel fachgerecht planen und installieren lassen
Die Planung von Dampfanlagen ist komplex und setzt neben einem großen fachlichen Wissen auch viel Erfahrung voraus. Da Anlagenbetreiber diese in der Regel nicht im ausreichenden Maß haben, kümmern sich Fachexperten um die detaillierte Auslegung der Dampfkessel. Dazu bauen sie auf die in den vorherigen Abschnitten genannten Informationen auf. Bevor Anlagenbetreiber Verträge für Planung und Ausführung vergeben, lohnt es sich daher, die Abschnitte Schritt für Schritt durchzugehen und die wichtigsten Erkenntnisse und Informationen zu notieren. Fachplaner nutzen die Angaben anschließend für die eigene Arbeit und errichten zusammen mit erfahrenen Handwerksfirmen eine Dampfanlage, welche die Erwartungen ihrer Betreiber erfüllt. Und das in den Bereichen Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und Umweltschutz.
FAQ: Häufig gestellte Fragen zu Dampfkesseln
Dampfkessel sind Anlagen zum Erhitzen von Wasser. Sie führen dem Medium dabei so viel Wärme zu, dass es in den dampfförmigen Aggregatzustand übergeht. Möglich ist das mithilfe elektrischer Heizstäbe oder mit einer Verbrennung von Heizöl, Gas sowie anderen Brennstoffen.
Der von einem Dampfkessel erzeugte Dampf lässt sich als Energieträger oder Arbeitsmedium nutzen. Typische Einsatzbereiche finden sich daher in Industrieanlagen, Wäschereien, Chemiebetrieben, Lebensmittelbetrieben, in der Holzwirtschaft, in Käsereien sowie in Kraftwerken.
Zur Verfügung stehen Großwasserraumkessel, bei dem sich das Speisewasser in einem großen Rohr befindet. In diesem verläuft ein zweites Rohr mit den Brenn- und Abgase. Über dieses kommt Wärme in das System und das Wasser verdampft. Der Aufbau ist einfach. Zum Einsatz kommen Großwasserraumkessel bei kleiner Leistung und geringem Druck.
Daneben gibt es auch Wasserrohrkessel, bei denen das Arbeitsmedium in zahlreichen schlanken Rohren durch den Brennraum strömt. Der aufwendigere Aufbau erlaubt den Einsatz bei höheren Leistungs- und Druckwerten.
Kompakte Wasserrohrkessel nennen Experten Schnelldampferzeuger. Diese reagieren in kurzer Zeit, was Bereitschafts- und Anlaufverluste reduziert. Sie eignen sich aber eher für kleinere Leistungsbereiche.
Eine weitere Alternative stellen Elektrodampferzeuger dar, die Wasser mit elektrischen Heizstäben verdampfen. Diese Dampfkessel arbeiten schnell und gut regelbar. Ohne erneuerbaren Strom sind die Kosten im Verbrauch vor allem bei hoher Leistung und langen Einsätzen hoch.
Oberste Priorität hat das Erfüllen der betrieblichen Anforderungen. Der Kessel muss Dampf mit den benötigten Eigenschaften in der passenden Menge liefern. Er muss zuverlässig arbeiten und ohne einen erhöhten Wartungsaufwand auskommen. Darüber hinaus kommt es auf einen gesetzeskonformen, wirtschaftlichen, effizienten und umweltschonenden Betrieb der Anlage an.
Die Leistung des Dampfkessels hängt davon ab, wie viel Dampf Anlagen oder Prozesse benötigen und welche Eigenschaften dieser haben muss. Neben individuellen Gleichzeitigkeiten spielen dabei auch nötige Reserven und Redundanzen eine besondere Rolle. Nicht zu vergessen ist der Eigenverbrauch, der bei Dampfanlagen in der Regel immer anfällt. Dabei handelt es sich zum Beispiel um Dampf, der zur Speisewasservorwärmung nötig ist oder bei der Erzeugung und Verteilung verloren geht.
Die Energieeffizienz lässt sich mit einer umsichtigen und ganzheitlich angelegten Auslegung der Dampfkessel anheben. Neben effizienzsteigernden Komponenten wie dem Economiser, dem Brüdenkühler oder dem Luftvorwärmer kommt es dabei auch auf organisatorische Maßnahmen an. Beispiele dafür sind eine individuelle Regelungskonzepte oder eine regelmäßige Wartung des Kondensatsystems, um Kondensatverluste zu minimieren.
Kesselhaus oder Aufstellraum müssen groß genug sein, um den im Rahmen der Auslegung bestimmten Dampfkessel samt Peripherie und Arbeitsräumen einbringen zu können. Das setzt ausreichend Platz im Gebäude sowie ausreichend große Zugänge voraus. Ist Letzteres nicht gegeben, lassen sich oft auch zusätzliche Durchbrüche schaffen. Neben der Größe kommt es auch auf die Tragfähigkeit an. Wichtig ist diese für Fundamente sowie Wände und Decken, an denen die Dampf- und Kondensatleitungen zu installieren sind.
Rechtlich geht es vor allem um den Schutz von Personen und den Schutz der Umwelt. Um beides sicherstellen zu können, sind zahlreiche internationale, nationale und regionale Gesetze sowie Verordnungen zu beachten. Zu den wichtigsten gehören die Druckgeräterichtlinie, die Maschinenrichtlinie, die Gefahrstoffrichtlinie, die Explosionsschutzrichtlinie, die Betriebssicherheitsverordnung, Emissions- und Immissionsgesetze, das Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG) und die Gefahrstoffverordnung (GefStofV). Erfahrene Fachplaner, Handwerker und Hersteller kennen sich hier aus und beachten die entsprechenden Vorgaben bei der Auslegung von Dampfkesseln von Beginn an.
