In vielen Info-Tec-Ausgaben wurden Elemente behandelt, die in Dampfsystemen verwendet werden, wie Ventile, Regler, Ableiter, Steuerungen usw. Diese Info-Tec befasst sich mit dem Dampf selbst. Wenn man versteht, warum und wie Dampf funktioniert, kann man auch die Geräte verstehen, die zur Steuerung von Dampf verwendet werden.

Was ist Dampf?

Dampf ist Wasser in gasförmigem Zustand. Dem Wasser muss genügend Wärme zugeführt werden, um die Temperatur des flüssigen Wassers auf den Siedepunkt zu erhöhen, und dann muss mehr Wärme zugeführt werden, um eine Zustandsänderung zu Dampf ohne Temperaturerhöhung zu bewirken.

Die Wärmemenge, die erforderlich ist, um das Wasser auf Siedetemperatur zu bringen, wird als fühlbare Wärme bezeichnet. Die Wärmemenge, die erforderlich ist, um das Wasser in Dampf zu verwandeln, wird als latente Verdampfungswärme bezeichnet. Die latente Verdampfungswärme ist genau dasselbe wie die „latente Kondensationswärme“. Dies ist das Prinzip, das sich Dampfsysteme zunutze machen. Wie wir sehen werden, ist diese latente Wärme der Hauptgrund dafür, dass Dampf als Medium zur Übertragung von Wärmeenergie verwendet wird.

Um die fühlbare und die latente Wärme zu veranschaulichen, müssen wir uns die Definition einer BTU (British Thermal Unit) ins Gedächtnis rufen, ein Maß für eine Wärmemenge. Eine BTU ist definiert als die Wärmemenge, die benötigt wird, um ein Pfund Wasser um ein Grad Fahrenheit zu erwärmen.

Sensible Wärme ist Wärme, die leicht wahrgenommen werden kann. Sie kann gefühlt oder sogar mit einem Thermometer „gesehen“ werden. Latente Wärme ist Wärme, die „da“ ist, aber nicht ohne weiteres wahrgenommen werden kann.

Ein einfaches Experiment demonstriert fühlbare und latente Wärme.

Abbildung 1 zeigt ein Glasgefäß mit einem Pfund Wasser. Ein Thermometer kann in das Wasser gehalten werden. Das Thermometer zeigt an, dass das Wasser eine Raumtemperatur von 70°F hat. Das Becherglas mit Wasser wird über einen Brenner gestellt und der Brenner wird eingeschaltet. Der Brenner hebt die Temperatur des Pfunds Wasser auf 212°F an. Hierfür waren 142 BTUs erforderlich. 212 – 70 = 142. (Erinnere dich an die Definition einer BTU.)

Abbildung 1.

Diese 142 BTU sind fühlbare Wärme. Wir können die dem Wasser durch den Brenner zugeführte Wärme „sehen“, wie das Thermometer zeigt. Wir könnten unsere Hand in das Wasser halten und die zugeführte Wärme „fühlen“, „spüren“. (Nicht ratsam.)

Durch die fortgesetzte Wärmezufuhr wird das Wasser zum Kochen gebracht, aber das Thermometer steigt nicht höher! Bei atmosphärischem Druck bleibt es bei 212°F! Wie kann das sein? Der Brenner ist noch an. Wir können sehen, dass dem Wasser immer noch Wärme zugeführt wird. Wohin geht all diese zusätzliche Wärme?

Sie bewirkt eine Zustandsänderung. Das Wasser wird in Dampf umgewandelt. Diese Zustandsänderung erfordert eine große Wärmemenge, weit mehr als die, die benötigt wird, um die Temperatur des Wassers von 70°F auf 212°F zu erhöhen. Um ein Pfund Wasser bei atmosphärischem Druck in ein Pfund Dampf zu verwandeln, sind zusätzliche 970 BTU erforderlich!

Wir können diese Wärme nicht „sehen“. Wir können diese Wärme nicht „fühlen“, aber sie ist da. Es ist „latente“ Wärme, versteckte Wärme. Der genaue Begriff lautet „latente Verdampfungswärme“.

Die latente Verdampfungswärme ist genau dasselbe wie die latente Kondensationswärme. Das heißt, wenn wir ein Pfund Dampf bei 212°F zu einem Pfund Wasser bei 212°F kondensieren, müssen wir dem Dampf 970 BTUs entziehen. Das ist der Grund, warum Dampf so häufig verwendet wird. Das Pfund Dampf, das eine große Menge an Wärmeenergie enthält, kann schnell und einfach durch ein Verteilungssystem zu entfernten Orten transportiert werden, wo die Energie zurückgewonnen und für nützliche Zwecke eingesetzt werden kann.

Die Siedetemperatur von Wasser ist nicht konstant. Wenn man den Druck des Wassers verändert, kann sich sein Siedepunkt ändern. Dazu ist ein geschlossenes System erforderlich, damit der Druck kontrolliert werden kann. Wasser kann dann bei 50°F genauso leicht auf z.B. 500°F gekocht werden wie bei 212°F. Das Einzige, was notwendig ist, ist die Änderung des Drucks über dem Wasser auf einen Druck, der dem gewünschten Siedepunkt entspricht.

Wird zum Beispiel der Druck in einem Kessel auf 52 psig. (67 psia.) erhöht wird, kocht das Wasser bei 300°F. Würde der Druck dagegen auf ein Vakuum von 29,6 Zoll Quecksilber gesenkt, würde das Wasser bei 40°F sieden.

Die Änderung des Siedepunkts von Wasser durch Veränderung des Drucks führt zu anderen Änderungen der physikalischen Eigenschaften. Bei atmosphärischem Druck beträgt die latente Verdampfungswärme 970 BTU pro Pfund, aber bei 100 psig sind es 889 BTU pro Pfund.

Im Anhang finden Sie Tabellen mit den Eigenschaften von Dampf. Tabelle 1 und Tabelle 2 sind im Wesentlichen identisch, mit dem Unterschied, dass Tabelle 1 eine Temperaturtabelle in Spalte 1 und Tabelle 2 eine Drucktabelle in Spalte 1 ist. Sie arbeiten gut zusammen, da horizontale Einträge in der einen Tabelle die Lücken in der anderen Tabelle füllen.

Tabelle 1.

Tabelle 2.

Wenn die latente Verdampfungswärme für Dampf bei 240°F bekannt sein soll, zeigt Tabelle 1 keine 240°F-Zeile. Die Einträge lauten 212°F oder 250°F. In Tabelle 2, Spalte 2, erscheint der Eintrag 240.07°F. (Dies zeigt, dass Wasser bei 25 psia bei 240,07°F siedet.) Die latente Wärme erscheint als 952,1 BTU pro Pfund, Spalte 6.

Enthalpie

Keine Diskussion über Dampf ist vollständig, ohne die Enthalpie zu erwähnen. Enthalpie ist die Gesamtwärme. Die Enthalpie ist eine Eigenschaft von Stoffen, die ein Maß für ihren Wärmeinhalt ist. Mit ihrer Hilfe lässt sich die Wärmemenge ermitteln, die für bestimmte Prozesse benötigt wird. Aus Tabelle 1 geht hervor, dass die Gesamtwärme von Dampf bei atmosphärischem Druck (0 psig. oder 14,696 psia) 1150,4 BTU pro Pfund beträgt. Diese Gesamtwärme setzt sich aus zwei Teilen zusammen, der fühlbaren und der latenten Wärme. Die fühlbare Wärme hebt die Temperatur des Wassers von 32°F auf 212°F, 180,07 BTU pro Lb. (Spalte 6). Die latente Verdampfungswärme des Wassers beträgt bei 212°F 970,3 BTU pro Pfund. (Spalte 7). Die Summe beträgt 1150,4 BTU pro Lb. (Spalte 8). Anhand dieser Angaben lässt sich ermitteln, wie viel Wärme erforderlich ist, um Wasser bei einer beliebigen Temperatur und einem beliebigen Druck in Dampf zu verwandeln. Welche Wärmemenge ist zum Beispiel erforderlich, um Wasser mit einer Temperatur von 70°F in Dampf mit einer Temperatur von 250°F zu verwandeln? Aus Tabelle 1, Zeile 250°F, Spalte 8, geht hervor, dass die Enthalpie von Dampf 1164 BTU pro Pfund beträgt. Nach Spalte 6, Zeile 70°F, beträgt die Enthalpie von Wasser 38,04 BTU pro Pfund. 1164 steht für den gesamten Wärmeinhalt des Dampfes und 38,04 für den Wärmeinhalt des Wassers bei 70°F. Die Differenz 1164 – 38,04 oder 1125,96 BTU pro Pfund ist die Wärmemenge, die dem Wasser bei 70°F zugeführt werden muss, um es bei 250°F in Dampf umzuwandeln.

Überhitzter Dampf

Einiges sollte über überhitzten Dampf gesagt werden.

Es ist unmöglich, Dampf in Gegenwart von Wasser zu überhitzen, weil die gesamte zugeführte Wärme nur das Wasser verdampft. Wie wir in Abbildung 1 gesehen haben, bleibt die Temperatur des Wassers so lange konstant, bis das gesamte Wasser verdampft ist. Dampf mit der gleichen Temperatur wie das kochende Wasser ist „gesättigter“ Dampf. Überhitzter Dampf ist Dampf mit einer höheren Temperatur als kochendes Wasser bei gleichem Druck. Überhitzter Dampf wird hauptsächlich bei der Stromerzeugung verwendet. Mit Heißdampf betriebene Turbinen sind effizienter, wartungsärmer und haben eine längere Lebensdauer. In der Regel haben wir es in der industriellen Heizungs- und Prozessindustrie mit gesättigtem Dampf zu tun.

(Ein interessanter Nebenaspekt bei der Klimatisierung ist die Tatsache, dass die gesamte Feuchtigkeit in der atmosphärischen Luft als überhitzter Dampf bei sehr niedrigem Druck vorliegt. Die latente Wärmelast der Entkohlung dieses Dampfes kann über 50 % der Last einer Klimaanlage ausmachen. Bei der Kühlung eines Gemischs aus Luft und überhitztem Dampf wird der Dampf entgast, bis er einen Punkt erreicht, an dem er zu Wasser kondensiert. Dieser Punkt wird als „Taupunkt“ bezeichnet. Eigentlich ist es die Kondensationstemperatur von Niederdruckdampf.)

Dampf ist weit verbreitet. In fast jeder Anlage sind eine oder mehrere Dampfanlagen in Betrieb. Abbildung 2 zeigt einige der Verwendungsmöglichkeiten in einer typischen Anlage.

Abbildung 2.

Der in einem Kessel erzeugte Dampf kann durch Rohrleitungssysteme an entfernte Stellen geleitet werden, um viele nützliche Aufgaben zu erfüllen. Der höhere Druck im Kessel drückt den Dampf dorthin, wo er benötigt wird. Zwar treten in jedem Verteilungssystem gewisse Verluste auf, doch ein sorgfältig konzipiertes und isoliertes System minimiert diese Verluste und liefert den Dampf dorthin, wo er erhitzt werden soll. Hier wird dieselbe latente Verdampfungswärme nun zur latenten Kondensationswärme, die zur Erwärmung von Luft, Wasser, Kochgefäßen usw. verwendet wird.