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Grundlagen Dampftechnik
Dampfzustände
Wird Wasser über den Siedepunkt hinaus erhitzt, verdampft das Wasser in einen gasförmigen Zustand zu Wasserdampf. Die Eigenschaften dieses Wasserdampfes bezgl. Wärmeinhalt, Volumen, Dichte usw. unterscheiden sich jedoch in Abhängigkeit von Temperatur und Druck deutlich.
Im Artikel Hauptanwendungen von Dampf wurden die Anwendungen beschrieben, in denen Dampf industriell zum Einsatz kommt. Die folgenden Abschnitte erläutern die Dampfzustände, welche in dieses Anwendungen eingesetzt werden.
Druck-Temperatur-Zusammenhang von Wasser und Wasserdampf
Sattdampf (trocken) entsteht durch Erhitzen von Wasser zum Siedepunkt (Zugabe des Wärmeinhalts von Wasser) und der anschließenden Erhitzung um den Betrag der Verdampfungswärme. Bei weiterer Wärmezufuhr über den Siedepunkt hinaus entsteht überhitzter Dampf.
Sattdampf
Sattdampf entsteht in einem Bereich, in dem Wasserdampf als Gas und Wasser nebeneinander bestehen können, dargestellt mittels einer schwarzen Linie in der sogenannten Sattdampfkurve. In anderen Worten stellt Sattdampf ein Gleichgewicht dar, bei welchem genau so viel Wasser verdampft wie es kondensiert.
Vorteile von Sattdampf
Sattdampf stellt eine hervorragende Wärmequelle dar, besonders bei Temperaturen über 100°C. Seine positiven Eigenschaften sind:
| Eigenschaft | Vorteile |
| Schnelles, gleichmäßiges Aufheizen mittels der Verdampfungswärme | Verbesserte Produktivität und Produktqualität |
| Temperaturregelung über Druckeinstellung | Schnelle und präzise Temperaturregelung |
| Hoher Wärmeübertragungskoeffizient | Im Vergleich zur Beheizung mit Flüssigkeiten stark reduzierte Wärmetauschfläche, somit verminderte Anlagenkosten |
| Gewinnung aus Wasser | Sauber und sicher bei geringen Kosten |
Tipps
Jedoch sind bei richtigem und zweckmäßigem Gebrauch von Sattdampf einige Dinge zu beachten.
- Die Heizleistung verringert sich, wenn die Dampfqualität vom Sattdampfzustand abweicht. Entgegen der landläufigen Meinung ist vom Kessel erzeugter Dampf kein meist ganz trockener Sattdampf, sondern Nassdampf, der einige Anteile nicht-verdampfter Wassermoleküle enthält.
- Wärmeabstrahlung von Versorgungsleitungen verursacht ebenfalls eine teilsweise Kondensation des Dampfes, welche den Wasserinhalt der Naßdampfes aus dem Kessel selber noch vergrößert. Das sich bildende Kondensat muß von Kondensatableitern abgeführt werden.
- Kondensat kann über Entwässerungsstutzen wirksam abgeleitet werden. Jedoch bleiben fein verteilte Wassertöpfchen im Dampfstrom zurück und reduzieren die Wärmeleistung. Zur Erzeugung von echtem Sattdampf ähnelndem Nassdampf mit einem vernachlässigbarem Feuchteinhalt werden Dampftrockner verwendet, die diese Partikel ausfiltern.
- Druckverluste des Dampfes, etwa durch Reibung an den Rohrwandungen o.ä., resultieren immer auch in einer verminderten Dampftemperatur.
Nassdampf
Dies ist die häufigste Dampfzustand, welcher in industriellen Anlagen anzutreffen ist. Bereits bei der Dampferzeugung werden noch nicht verdampfte Wassermoleküle vom Dampf mitgerissen. Auch moderne Kessel erzeugen einen Sattdampf mit ca. 3-5% Restfeuchte, zumeist in Form eines Nebels oder fein verteilter Wassertröpfchen, welche mitgerissen werden. Diese Feuchtigkeit herauszuholen ist die Aufgabe von Dampftrocknern.
Überhitzter Dampf
Überhitzter Dampf entsteht, wenn Sattdampf über den Siedepunkt hinaus weiter Wärme zugeführt wird. Überhitzter Dampf verfügt über eine höhere Temperatur und geringere Dichte als Sattdampf bei selbem Druck. Überhitzter Dampf wird hautptsächlich zum Antrieb von Dampfturbinen oder zur Dampfverteilung über sehr große Entfernungen eingesetzt. Für Heizanwendungen ist überhitzter Dampf nur bedingt geeignet.
Vorteile von überhitztem Dampf beim Turbinenantrieb:
- Versorgung der gegenüber Kondensat anfälligen Dampfturbinen mit absolut trockenem Dampf.
- Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades und der Leistung, etwa durch die größere Volumenzunahme von überhitztem Dampf zu Niederdruckdampf oder gar Vakuum hin.
Bei Dampfturbinen sollte der Dampf vom Eintritt bis zum Austritt überhitzt bleiben, sodaß die Bildung von Kondensat im normalen Betrieb faktisch auszuschließen ist. Schäden durch Erosion oder durch die Bildung von Kohlensäure sind so vermeidbar. Überhitzter Dampf am Eintritt verbessert den thermischen Wirkungsgrad, welcher sich aus der Entropiedifferenz zwischen Eintritt und Austritt errechnet, die auch die zusätzliche Wärme durch Überhitzung enthält.
Nachteile beim Gebrauch von überhitztem Dampf:
| Eigenschaft | Nachteile |
| Geringerer Wärmeübergangskoeffizient. | Verminderte Produktivität bei Heizanlagen. |
| Im Vergleich zu Sattdampf größere Wärmetauschfläche erforderlich. | |
| Bei gleichem Druck sind unterschiedliche Temperaturen möglich. | Wenn überhitzter Dampf nicht schnell zum Einsatzort gelangt, geht die Überhitzung durch Wärmeverluste auf der Strecke verloren |
| Der Wärmeübergang erfolgt teilweise durch Konvektion und nicht durch Kondensation (Verdampfungswärme). | Ungleichmäßige Temperaturverteilung kann die Produktqualität beeinträchtigen. |
| Teilweise extrem hohe Temperaturen. | Hohe Ansprüche an Werkstoffe von Anlagen - kostenintensiv. |
Aus diesen und weiteren Gründen wird bei Heizanwendungen Sattdampf gegenüber überhitzem Dampf bevorzugt. Bei direkten Heizanwendungen jedoch wird überhitzer Dampf manchmal anstelle von heißer Luft verwendet, da dieser keinen Sauerstoff enthält.
Überkritisches Wasser
Überkritisches Wasser nennt man den Zustand von Wasser über 221 bar ü and 374°C. An diesem kritischen Punkt ist die Verdampfungswärme 0 und das Volumen des gasförmigen und flüssigen Zustandes gleich groß. Überkritisches Wasser ist demnach weder ein Gas noch eine Flüssigkeit.
Überkritsches Wasser kommt in Dampfturbinen zum Einsatz, welche einen besonders hohen Wirkungsgrad benötigen. Für die Forschung ist überkritisches Wasser als Fluid interessant, welches sowohl die Eigenschaften von Gasen und Flüssigkeiten besitzt, etwa im Hinblick als Lösungsmittel bei chemische Reaktionen.
Verschiedene Zustände von Wasser
Ungesättigtes Wasser
In diesem Zustand ist Wasser jedermann bekannt. In dieser flüssigen Form werden die Wassermoleküle durch Wasserstoffbindungen zusammengehalten, welche dem ungesättigtem Wasser seine kompakte und dichte Struktur verleihen. Ca. 70% des menschlichen Körpers bestehen ebenfalls aus Wasser.
Sattdampf
Sattdampf ist unsichtbar. Wenn Wasserdampf in die Atmosphäre austritt, kondensiert ein Teil des Sattdampfes durch Wärmeabgabe an die Umgebungsluft zu sehr feinen Wassertröpfchen, welche den Sattdampf in kurzer Entfernung hinter der Austrittsstelle sichtbar machen. Dann spricht man von Nassdampf.
Am Austritt von Kondensatableitern sichtbarer Dampf wird oft als Leckage von Sattdampf fehl interpretiert. Dabei handelt es sich normalerweise um Entspannungsdampf. Dieser unterscheidet sich von Sattdampf bei der Betrachtung dadurch, daß Entspannungsdampf bereits seit dem Entstehungsmoment Wassertröpfchen enthält (Kondensat verdampft teilweise durch Druckabfall), wohingegen sich diese bei Sattdampf erst in geringer Entfernung zum Rohraustritt bilden.
Überhitzer Dampf
Solange sich überhitzter Dampf in seinem überhitzten Zustand befindet, findet keine Kondensation statt, auch bei Kontakt mit der Umgebungsluft. Dadurch ist überhitzter Dampf fast unsichtbar, was Leckagen zudem gefährlich macht. Überhitzter Dampf enthält mehr Wärmeenergie als Sattdampf beim selben Druck, was zu einer schnelleren Bewegung der Moleküle und zu einer geringeren Dichte führt.
Überkritisches Wasser
Obwohl man überkritisches Wasser nicht betrachten kann, hat es weder eine gasförmige noch eine flüssige Form. Man kann wohl davon ausgehen, dass die Molekularbewegung einem Gas gleicht, hingegen die Dichte eher einer Flüssigkeit entspricht.