Benutzer:Steamtrap

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Dampfheizung

Die Dampfheizung ist ein Heizungssystem, das Wasserdampf als Energieträger nutzt. Die Kondensationswärme und zum geringeren Teil die fühlbare Wärme des Dampfes und des Kondensates wird zu Heizzwecken genutzt. Inhaltsverzeichnis

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  1. Wasserdampf als Heizmedium
  2. Ursprung [Erzeugung] der Wärme
  3. Infrastruktur für das Heizmedium
# 3.1 Dampfleitungssystem 
# 3.1.1 Dampfverteiler 
# 3.2 Wärmeverbraucher  
 # 3.2.1 Heizkörper 
 # 3.2.2 Heizmantel 
 # 3.2.3 Begleitrohr 
  # 3.2.3.1 Material des Beirohrs
  # 3.2.3.2 Verlege- bzw. Kontaktarten
# 3.3 Kondensatsammelsystem
 # 3.3.1 Kondensatsammler

1 Beschreibung

   2 Unterschied zwischen Dampfheizungen und Warmwasserheizungen
   3 Wärmeerzeuger
   4 Einzelnachweise
   5 Weblinks
  1. 1 Wasserdampf als Heizmedium [Bearbeiten]

Für die Herstellung von 1 kg Wasserdampf aus bereits kochendem Wasser muss man eine Energiemenge von 2258 kJ/kg bzw. 0,627 kWh /kg (bei Atmosphärendruck und 100 °C) zuführen, die sogenannte Verdampfungswärme. Dieselbe Energiemenge wird wieder frei, wenn der Dampf auf kälteren Flächen wieder zu Wasser wird, d.h. kondensiert. Dampf als Heizmedium hat die besondere Eigenschaft, dass er beim Kondensieren in sich zusammenfällt, das heißt, das Volumen des entstehenden Wassers ist nur ca. 1/1000 des Dampfvolumens. In das dabei entstehende Vakuum strömt ständig neuer Dampf nach. Auf diese Weise werden auch entlegene Abschnitte im System immer gut beheizt, ohne dass Hilfsmittel wie Pumpen oder eine besondere Strömungsführung erforderlich sind.

[Bild: Stahlmantelrohr, freiverlegt für den Transport von Dampf]

  1. 2 Ursprung (Erzeugung) der Wärme

Dampfheizungen werden bevorzugt für die Beheizung von industriellen Anlagen in Betrieben verwendet, die Prozessdampf erzeugen oder über Abhitzedampfkessel verfügen. Dieser Prozessdampf fällt häufig als "überschüssige" Abwärme an, z.B. beim Herunter-Kühlen von heißen Reaktionsprodukten in der chemischen oder petrochemischen Industrie.

Wo keine überschüssige Wärme anfällt, kann man Dampf extra erzeugen. Dazu verfeuert man meist fossile Brennstoffe wie Gas, Öl, Kohle sowie Müll in Öfen, denen ein Dampferzeuger (Dampfkessel mit Dampftrommel) nachgeschaltet wird. Die Energie der heißen Verbrennungsgase wird dort im Kessel in Dampf umgewandelt. Auch thermische Solaranlagen können zur Dampferzeugung eingesetzt werden.

Für die Erzeugung von Elektrizität wird im Rahmen der Kraft-Wärme-Kopplung Dampf produziert, der nach seiner Verwendung als "Kraftspender" in Dampfturbinen auch zur Gebäudeheizung eingesetzt werden kann, sofern entsprechende Fernwärmenetze zur Verfügung stehen.


  1. 3 Infrastruktur für das Heizmedium
  2. 3.1 Dampfleitungssystem

Der Wasserdampf wird vom Dampferzeuger (Dampfkessel) mittels wärmegedämmter Stahlrohre zu den Verbrauchsstellen geführt. Trotz Wärmedämmung verliert das Rohrsystem Wärme, indem sich ein Teil des Dampfes in Kondensat umwandelt, welches nach bestimmten Streckenabschnitten ausgeschleust wird. Dazu verwendet man Kondensatableiter, welche die Aufgabe haben, das flüssige Kondensat über Entwässerungsrohre auszuschleusen, dabei aber den Dampf im Rohrsystem zurückzuhalten.

  1. 3.1.1 Dampfverteiler

An Stellen mit mehreren Dampfverbrauchern richtet man Dampfverteiler ein, die sich durch eine Vielzahl von Anschlussstellen, auch Dampfstutzen genannt, auszeichnen.

  1. 3.2 Wärmeverbraucher
# 3.2.1 Heizkörper

In der Gebäudeheizung wird die Wärme der Dampfheizung über Heizkörper oder Heizregister an die zu erwärmende Luft übertragen. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie häufig Rippen oder Lamellen enthalten, um die Oberfläche zu vergrößern, welche die Wärme überträgt.

# 3.2.2 Heizmantel

Für intensive Beheizungen in industriellen Anwendungen kommen häufig Heizmäntel zum Einsatz. Bei dieser Beheizungsart erhält der zu beheizende Behälter oder Apparat (Pumpen, Filter etc.) auf seiner äußeren Fläche eine zweite Hülle. Durch den Zwischenraum (Mantelraum) strömt dann das Heizmedium (Dampf, Warmwasser o.ä.). Diese Art der Beheizung ist hocheffizient, aber auch sehr kostenintensiv in der Herstellung und im Unterhalt.

  1. 3.2.3 Begleitrohr

Um Tanks oder Rohrleitungen auf höhere Temperaturen aufzuheizen oder diese Temperatur zu halten, setzt man die sogenannte Begleitheizung ein. Für die Begleitheizung von Rohrleitungen oder Behältern werden sogenannte Begleitrohre oder Beirohre (Rohre kleiner Durchmesser) verwendet, durch welche das Heizmedium, z.B. der Dampf, geleitet wird. Das Beirohr wird an dem zu beheizenden Produktrohr (oder Behältern) entlang geführt und befestigt. Im Bedarfsfalle gibt der heiße Dampf seine Verdampfungswärme durch die Wandung des Beirohres an den beheizten Gegenstand ab, welcher dadurch aufgewärmt, bzw. auf seiner Soll-Temperatur gehalten wird. Dabei wandelt sich der Dampf im Begleitrohr oder Beirohr wieder in heißes Wasser (Kondensat) um, welches am Ende des Begleitrohres durch einen Kondensatableiter vom Dampf getrennt und in einem Rohrsystem aufgefangen wird. Anschließend wird das Kondensat im Kondensatsammelbehälter zusammengeführt und von dort wieder als Speisewasser in den Dampferzeuger gepumpt.

Daneben wird Dampf als Wärmeträger auch in vielen älteren Fernwärmenetzen verwendet.

Ab etwa 1870[1] bis etwa zum Ende des 20. Jahrhunderts erfolgte die Heizung von Reisezugwagen häufig mittels auf der Lokomotive erzeugten Heizdampfes.

Die Dampfheizung besteht aus der Dampfleitung, dem Wärmeübertrager (Kondensator), dem Kondensatableiter und der Kondensatrücklaufleitung. Für die Regelung der Heizung wird ein thermostatisch gesteuertes Regelventil in der Dampfzulaufleitung oder ein Kondensatablaufregelventil ("Kondensomat") eingesetzt. Bei der Verlegung von längere Rohrstrecken stellen sich größere Druckverluste im Rücklauf ein. Dies kann zu einer unerwünschten Nachverdampfung in der Kondensatleitung führen. In diesen Fällen kann entweder ein Kondensatsammelbehälter eingebaut werden, aus dem das Kondensat zum Speisewasserbehälter der Dampfkesselanlage zurückgepumpt wird. Alternativ kann eine Kondesathebestation verwendet werden. Diese besteht aus einem Druckbehälter, in den bei geöffnetem Belüftungsventil das Kondensat einströmt. Bei Erreichen des oberen Füllstandes wird das Ventil zur Umgebung geschlossen, dann Dampf überlagert und das Ventil zur Kondensatrücklaufleitung wird geöffnet, so dass das Kondensat zurückgefördert wird.

Man unterscheidet:

   Niederdruckdampfheizung (abgesicherte Betriebsdrücke bis 10 bar Überdruck),
   Mitteldruckdampfheizung (abgesicherte Betriebsdrücke bis 25 bar Überdruck)
   Hochdruckdampfheizung (abgesicherte Betriebsdrücke über 25 bar Überdruck),
   Vakuumdampfheizung (Betrieb im Unterdruck)

Unterschied zwischen Dampfheizungen und Warmwasserheizungen[Bearbeiten]

Der Vorteil der Dampfheizung gegenüber einer konventionellen Warmwasserheizung besteht in der hohen Energiedichte des Wasserdampfes, so dass gegenüber der Warmwasserbeheizung die umlaufende Masse des Wärmeträgers wesentlich geringer ist. Aufgrund der gegenüber Warmwasserheizungen höheren Vorlauftemperatur können kleinere Wärmeübertragungsflächen verwendet werden. Für den Kondensatrücklauf können Rohrleitungen mit sehr geringem Querschnitt verwendet werden.

Bei einer Warmwasserheizungsanlage wird die Enthalpiedifferenz zwischen der Vor- ( T 1 ) und Rücklauftemperatur (T2 ) als Wärmestrom genutzt. Der erforderliche umzuwälzende Massenstrom ergibt sich aus:

   \dot m = \frac {\Delta Q } { c_\mathrm{p} \cdot (T_2-T_1)} 

Im Fall einer Dampfheizung stellt die Kondensationsenthalpie den größten nutzbaren Wärmeanteil dar. Darüber hinaus ist die Dampftemperatur in der Regel höher als die Vorlauftemperatur von Warmwasserheizungen. Es ist allerdings zu berücksichtigen, dass die Wärmekapazität von Wasserdampf nur etwa halb so groß ist wie die von Wasser. Die nutzbare Wärme ergibt sich demnach bei Verwendung von Sattdampf aus:

   \dot m = \frac {\Delta Q } { (h_D(p1) - c_\mathrm{p} \cdot T_2)) } \!

Beispiel:

Wärmestrom ΔQ = 10kW

Parameter Warmwasserheizung: T 1 = 100°C und Rücklauf: T 2 = 70°C; spezifische Wärmekapazität von Wasser cp = 4,18 kJ/(kg K)

Dampfparameter: Sattdampf mit p = 10 barü und T = 180°C; spezifische Enthalpie hD = 2777 kJ/kg, Kondensatrücklauf: T 2 = 70°C

Warmwasserheizung: :\dot m = \frac {10\; kW}{ 4,18 \frac {kJ} {kg \cdot K} \cdot (100\,^{\circ}\mathrm{C} - 70\,^{\circ}\mathrm{C})} \ = \ 0,081 \frac {kg} {s} = 294 \frac {kg} {h}

Für die Dampfheitzung ergibt sich :\dot m = \frac {10\; kW } { (2777 \frac {kJ} {kg} - 4,18 \frac {kJ} {kg \cdot K} \cdot 70\,^{\circ}\mathrm{C})) } \ = \ 0,00402 \frac {kg} {s} = 14 \frac {kg} {h}

Anhand des Beispiels wird gezeigt, dass der umlaufende Masserstrom bei der Dampfheizung um ein Vielfaches geringer ist als bei der Warmwasserheizung. Daher muss bei Einsatz der Dampfheizung keine oder nur eine sehr geringe elektrische Energie für den Betrieb von Pumpen aufgewendet werden.

Die Wärmeübertragung in den Aufstellungsräumen kann durch Wärmestrahlung oder durch Gebläse erfolgen, die thermostatisch angesteuert werden.

Nachteil der Dampfheizung sind die hohen Temperaturen an den Wärmeübertragern, so das diese immer vor direkter Berührung geschützt aufgestellt werden müssen. Ferner ist das Gefahrenpotential durch das Medium Dampf gegenüber dem praktisch ungefährlichem Warmwasser zu berücksichtigen. Somit ist der Einsatz von Dampfheizungen heutzutage in Wohngebäuden praktisch ausgeschlossen. Ein weiterer Nachteil sind Dampfschläge, die in dem Fall von Kondensatanfall bei Betriebsstillständen in der Dampfvorlaufleitung auftreten können. Die Dampfleitungen müssen daher an Tiefpunkten automatisch entwässert werden. Kalte Dampfleitungen mit Unterdruckbildung führen zu Lufteinbruch und Korrosion im Dampfnetz und können wiederum zu Fehlfunktion der Kondensatableiter führen. Daher sind Dampfheizungen wesentlich wartungsaufwändiger als Heizungsnetze mit geschlossenen Wasserkreisläufen. Die Dampfheizung ist in der Regel energetische ungünstiger als Warmwasserheizungssystem, da diese mit niedrigeren und Außentemperatur gleitenden Vorlauftemperaturen und somit niedrigeren Abgastemperaturen betrieben werden können und somit höhere Feuerungswirkungsgrade möglich sind. Wärmeerzeuger [Bearbeiten]

Zur Erzeugung von Wasserdampf kommen heute Großraumwasserkessel, Schnelldampferzeuger, elektrisch beheizte Dampferzeuger und Abhitzekessel von BHKW-Anlagen zur Anwendung. Welcher Dampferzeuger eingesetzt wird, hängt vielfach von den Einsatzbedingungen, den technologischen Prozessen und den Verbrauchern ab.