Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul berechnet die Dampf-Nachdampf-Kondensation in hintereinandergeschalteten Wärmetauschergruppen: Überhitzter oder gesättigter Wasserdampf wird stufenweise abgekühlt, kondensiert und bis in den unterkühlten Flüssigkeitsbereich geführt, während auf der Gegenseite Luft erwärmt wird. Bilanziert werden dabei bis zu vier Stufen – Hochdruckdampfstufe, Niederdruckdampfstufe, Nachdampfstufe und Kondensatstufe –, sodass auch Entspannungsdampf (Nachdampf) aus Kondensatentspannungen energetisch genutzt werden kann.
In der Praxis braucht man eine solche Rechnung bei der Auslegung von dampfbeheizten Lufterhitzern, etwa in Trocknungsanlagen, Klima- und Prozessluftsystemen oder bei der Abwärmenutzung von Kondensat- und Nachdampfströmen im Dampfnetz eines Werks. Wer die Kondensation von Dampf mit Nachdampfnutzung berechnen will, muss die Enthalpieverläufe vom überhitzten Dampf über die Sättigung bis zum unterkühlten Kondensat konsistent mit der Luftseite koppeln – genau das leistet das Modul auf Basis des VDI-Wärmeatlas und des Heat Exchanger Design Handbook.
Als Eingaben dienen der Massenstrom der Luft, ihre Ein- und Austrittstemperatur, der Luftdruck sowie die gewählte Bauart der Tauschergruppe; die spezifische Wärmekapazität der Luft wird bei Ein- und Austrittszustand ausgewertet und als maßgebender Mittelwert in der Bilanz verwendet.
Regelwerk und Berechnungsbasis: VDI - Wärmeatlas, Heat Exchanger Design Handbook, Hemisphere Publishing Corporation, New York
So läuft die Berechnung ab
- Bauart und Stufenschaltung festlegen: Zunächst wird die gewählte Bauart der Wärmetauschergruppe definiert: welche Stufen (Hochdruckdampf-, Niederdruckdampf-, Nachdampf- und Kondensatstufe) vorhanden sind und in welcher Reihenfolge die Luft sie durchströmt.
- Luftseite bilanzieren: Aus Massenstrom der Luft, Lufttemperatur am Eintritt und Austritt sowie dem Luftdruck wird der aufzunehmende Wärmestrom bestimmt. Die spezifische Wärmekapazität der Luft wird bei Ein- und Austrittstemperatur ermittelt; der zur Berechnung verwendete cp-Wert mittelt beide Zustände.
- Dampfseitige Zustandsänderung verfolgen: Auf der Dampfseite wird die Zustandsänderung mit Wasserdampf-Stoffdaten abschnittsweise verfolgt: Enthitzung des überhitzten Dampfes bis zur Sättigung, Kondensation bei nahezu konstanter Sättigungstemperatur und anschließende Unterkühlung des Kondensats. Bei Kondensatentspannung entstehender Nachdampf wird in der Nachdampfstufe berücksichtigt.
- Stufen koppeln: Die Energiebilanzen der einzelnen Stufen werden gekoppelt: Die Luftaustrittstemperatur einer Stufe ist die Eintrittstemperatur der nächsten, und die dampfseitigen Massen- und Enthalpieströme (Frischdampf, Nachdampf, Kondensat) müssen über alle Stufen konsistent sein.
- Ergebnisse auswerten: Als Ergebnis liegen die Wärmeleistungen der einzelnen Stufen, die Zwischentemperaturen der Luft sowie die Dampf- und Kondensatzustände an den Stufengrenzen vor. Damit lässt sich beurteilen, welchen Beitrag Nachdampf- und Kondensatstufe zur Gesamtleistung liefern und wie die Gruppe auszulegen ist.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Kondensatmenge | mK | kg/h |
| Dampftemperatur Eintritt | TD ein | °C |
| Enthalpie überhitzter Dampf | hUeD | J/kg |
| Sattdampftemperatur | TD H | °C |
| Enthalpie Sattdampf bei pH | h″H | J/kg |
| Druck Hochdruckstufe | pH | Pa |
| Enthalpie Sattdampf bei pN | h″N | J/kg |
| Sattdampftemperatur Dampfstufe | TD | °C |
| Enthalpie Sattdampf bei pnach | h″n | J/kg |
| Druck Dampfstufe | pN | Pa |
| Enthalpie unterk. Flüss. bei TKond und pnach | h | J/kg |
| Sattdampftemperatur Nachdampfstufe | Tnach | °C |
| Druck Nachdampfstufe | pnach | Pa |
| Kondensataustrittstemperatur | TKond | °C |
| Gewählte Bauart | Bauform | – |
| → Kondensatmenge aus Dampfstufe 2 | mK 2 | kg/h |
| → Dampfmenge aus Dampfstufe 2 | mD 2 | kg/h |
| → Kondensat aus Dampfstufe | mK D | kg/h |
| → Dampf aus Dampfstufe | mD D | kg/h |
| Massenstrom Luft | mL | kg/h |
| Lufttemperatur Eintritt | TL ein | °C |
| → zur Berechnung verwendetes cp der Luft | cpL | J/(kg·K) |
| Luftdruck | pL | Pa |
| Niederdruckdampfstufe | TL N a | °C |
Häufige Fragen
Was ist Nachdampf und warum lohnt sich seine Nutzung?
Wird heißes Kondensat von höherem auf niedrigeren Druck entspannt, liegt seine Enthalpie über der Siedeenthalpie beim neuen Druck – ein Teil verdampft schlagartig als Nachdampf (Entspannungsdampf). Je nach Druckgefälle sind das typischerweise einige Prozent bis über zehn Prozent des Kondensatmassenstroms. Da dieser Dampf die volle Verdampfungsenthalpie trägt, steckt in ihm ein erheblicher Energieinhalt, der sonst über die Kondensatwirtschaft oder Ausdampfverluste verloren ginge.
Warum wird die Kondensation in getrennten Stufen und nicht mit einer mittleren Temperaturdifferenz gerechnet?
Der Temperaturverlauf auf der Dampfseite ist stark nichtlinear: In der Enthitzungszone fällt die Temperatur, während der Kondensation bleibt sie nahezu konstant auf Sättigungsniveau, in der Unterkühlungszone fällt sie wieder. Eine einzige mittlere logarithmische Temperaturdifferenz über den Gesamtapparat wäre daher physikalisch falsch. Die stufen- bzw. zonenweise Bilanzierung ordnet jeder Zone ihre eigene treibende Temperaturdifferenz und Wärmeleistung zu.
Welche Rolle spielt der Luftdruck in der Berechnung?
Der Luftdruck beeinflusst Dichte und – schwach – die spezifische Wärmekapazität der Luft und geht damit in die Energiebilanz der Luftseite ein. Bei Anlagen in großer Höhe oder in druckbeaufschlagten Prozessluftsystemen weicht der Luftmassenstrom bei gleichem Volumenstrom deutlich vom Normzustand ab; die Bilanz muss deshalb mit dem tatsächlichen Massenstrom und Druck geführt werden.
Kann eine Stufe im Betrieb auch ganz ausfallen?
Ja. Sinkt beispielsweise der Nachdampfanfall, weil weniger Kondensat entspannt wird, liefert die Nachdampfstufe entsprechend weniger Leistung, und die nachfolgenden Stufen müssen mehr übernehmen bzw. die Luftaustrittstemperatur sinkt. Bei der Auslegung sollten daher neben dem Nennfall auch Teillast- und Ausfallszenarien der einzelnen Stufen betrachtet werden, um die geforderte Luftaustrittstemperatur abzusichern.