EBE Engineering

Wenn ein Ventil in einem Dampfsystem geöffnet wird, strömt Dampf in die Rohrleitung oder die Wärmetauscheranlage. Die Dampfgeschwindigkeiten in Rohrleitungen variieren je nach Druck und Sättigungsgrad des Dampfes. Je höher Druck und Temperatur (z. B. Heißdampf), desto höher ist die Dampfgeschwindigkeit. Typische Dampfgeschwindigkeiten in Mitteldruckanwendungen liegen zwischen 25 und 40 m/s. In dieser ersten Phase der Inbetriebnahme werden Luft und nicht kondensierbare Gase durch die Venturidüse entlüftet. Da sich keine Dichtung/Verschlussmechanik im Ableiter befindet, werden diese Gase einfach und sehr schnell entlüftet.

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Wenn die gesamte Luft und die nicht kondensierbaren Gase durch den Venturidüsen-Kondensatableiter ausgestoßen werden, nähert sich der Sattdampf der Düse. Sobald das Hauptventil geöffnet wird, tritt der heiße Dampf in die Rohrleitung oder die Wärmetauscheranlage ein. In einem Dampfsystem treten immer Energieverluste in Form von Kondensat auf. Der Temperaturunterschied zwischen dem heißen Dampf und den kalten Wänden der Rohrleitung oder des Wärmetauschers führt dazu, dass der Dampf Wärmeenergie verliert und teilweise kondensiert. Dadurch wird der Wärmeenergiegehalt des Dampfes (Enthalpie) reduziert und er beginnt gesättigter (nass) zu werden.

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Wenn sich der Dampf der Düse nähert, wird er zunehmend gesättigt, was dazu führt, dass sich an allen freiliegenden kühleren Oberflächen Kondensat bildet. Normalerweise befindet sich ein Kondensatableiter an der tiefsten Stelle im Dampfsystem, so dass das Kondensat zu dieser Stelle abfließen kann. Sobald der Dampf die Düse erreicht, beginnt er, das Kondensat durch die Öffnung auszustoßen. Am Ein- und Ausgang der Düse liegt eine Druckdifferenz vor. Dies ist der Punkt, an dem das Energiesystem (der Dampf) auf das Abwassersystem (das Kondensat) trifft. Zwischen der Dampfdichte und der Kondensatdichte besteht eine etwa 1000fache Differenz. Dieser massive Dichteunterschied bedeutet, dass die Dampfphase effektiv vor dem Eindringen in die Düsenöffnung gehindert wird. Das Kondensat hoher Dichte bewegt sich ebenfalls langsam, typischerweise mit 10 – 15 m/s.

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Der Zustand “Inbetriebnahme” setzt sich fort, bis das Dampfsystem einen gleichmäßigen Zustand erreicht. An dieser Stelle haben alle Teile der Rohrleitungen oder Wärmetauscher eine stabile Temperatur erreicht. Es wird keine Energie mehr benötigt, um sie über die Umgebungstemperatur zu erwärmen. Die Systemwärmeverluste sind nun rein auf die vom Prozess benötigte Wärme zurückzuführen. In der Praxis bedeutet dies, dass die anfallende Kondensatmenge deutlich geringer ist als bei der Inbetriebnahme. Die Düsenöffnung bleibt mit Kondensat gesättigt, aber die Dampfphase beginnt sich ihr zu nähern. Wenn sich der Dampf der Öffnung nähert, steigt die Temperatur des Kondensats in Düsennähe.

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Eine Nahaufnahme der Düse zeigt, wie das Kondensat durch die Öffnung in den Venturisektor strömt. Im Betriebszustand ist das durch die Öffnung strömende Kondensat sehr nahe an der Dampfphase. Das bedeutet, dass die Temperatur des Kondensats nahezu gleich ist wie die des Dampfes. Da das Kondensat sehr heiß ist, enthält es große Mengen an Energie. Diese Energie versucht sich zu verbrauchen, aber da sie unter dem Druck des Dampfes steht und in der Öffnung gedrosselt wird, kann sie dies nicht tun. Sobald sie die Öffnung durchströmt und in den breiteren Sektor der Düse gelangt, kann sich die im Kondensat enthaltene Energie entladen. Diese Energieentladung erfolgt in Form von Nachverdampfung, sogenanntem “Flash-Dampf”. Die Menge des erzeugten “Entspannungsdampfes” ist proportional zur Druckdifferenz über die Öffnung. Je größer der Druckunterschied, desto stärker die Nachverdampfung. Bei einem Differenzdruck von 1bar werden etwa vier Prozent des Kondensats in Flash-Dampf umgewandelt; bei 10bar steigt der Prozentsatz auf sechzehn Prozent.

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Die Düsenöffnung im Detail

1. Kondensat, das durch die Öffnung strömt bei 100%iger Last. Bei der Inbetriebnahme, wenn das Kondensat abgekühlt ist, kann die Öffnung das Zwei- bis Dreifache der Betriebslast aufnehmen.
2. Wenn sich der Kondensatanfall verringert, vermischt sich der heiße Dampf mit dem heißen Kondensat.
3. Die Dampfdurchsetzung des Kondensats nimmt mit abnehmender Last zu. Diese Zweiphasenmischung ist turbulent, aber in der Öffnung enthalten.
4. Eine weitere Reduzierung der Betriebslast führt zu mehr Dampf und das Kondensat beginnt sich an den Düsenwänden zu schichten. Es ist noch in der Öffnung enthalten, da das Kondensat den gesamten Durchmesser vor dem Austritt in die Kondensatleitung blockiert
5. Zu diesem Zeitpunkt gibt es in der Öffnung eine turbulentere Zweiphasenaktivität. Das Kondensat am Ablauf ist nun auf der höchsten Temperatur und enthält die meiste Energie. Hier ist der “Flash-Dampf”-Druck auf seinem Maximum und vergleichbar mit dem Hauptdampfdruck. Aufgrund der Geometrie der Öffnung wird ein lokaler Gegendruck erzeugt, der den Kondensatfluss reduziert. Die Kondensatmengen steigen an und die Öffnung “kehrt” durch die Schritte 4, 3 und 2 um. Irgendwo zwischen den Schritten 2 und 3 führt der Temperaturgradient in der Öffnung zu dem Druck des “Flash-Dampfes” zu der Ausstoßreduzierung. In der Praxis wechselt die Venturidüse kontinuierlich zwischen den Bedingungen 1 bis 5 und wieder zurück.
6. *Wenn die Öffnung überdimensioniert ist, blockiert das Kondensatvolumen nicht den gesamten Durchmesser und der Systemdampf beginnt in die Kondensatleitung zu entweichen.
7. *Die Leckage von Systemdampf durch die Öffnung nimmt mit abnehmendem Kondensatvolumen zu.

*Diese Bedingungen sind typisch für eine einfache Blendenvorrichtung, nicht aber für Venturidüsen-Kondensatableiter.

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