Dampfkessel versorgen Industrieprozesse mit Energie

Dampfkessel sind große Kessel, die Industrieprozesse mit Energie versorgen. Im Gegensatz zu konventionellen Heizgeräten erwärmen sie Wasser sehr stark. So ändert es seinen Aggregatzustand und wird zu einem nicht sichtbaren Gas. In dieser Form kann das Medium bei gleicher Masse mehr Energie transportieren als im flüssigen Zustand. Aus welchen Bestandteilen ein Dampfkessel besteht, wie er funktioniert und wo er sich einsetzen lässt, erklären wir in den folgenden Abschnitten.

Vorteile von Dampf als Wärmeträger

Dampf ist ein gasförmiges Medium, das bei dem Erhitzen von Wasser entsteht. Betrachtet man das genauer, lässt sich feststellen, dass die Temperatur von Wasser während des Siedevorgangs (der Verdampfung) nicht steigt. Der Grund dafür ist, dass alle zugeführte Energie für den Wechsel vom flüssigen zum gasförmigen Zustand genutzt wird.

Dampfkessel in einer Industrieanlage

Dampf speichert Verdampfungswärme

Die Energie, die zum Verdampfen einer bestimmten Menge einer Flüssigkeit nötig ist, heißt Verdampfungswärme. Sie ist deutlich höher als die Wärme, mit der sich ein Kilogramm Wasser um ein Grad Celsius erhitzen lässt, und macht den Dampf besonders energiereich. Denn bei der Kondensation, also der Abkühlung und Verflüssigung des gasförmigen Mediums, gibt es die Verdampfungsenergie ab, die sich dann technisch nutzen lässt.

Geringe Masse bei gleicher Wärmemenge

Der Vorteil der Dampfkessel liegt darin, dass das entstehende Medium deutlich mehr Energie enthält als heißes Wasser. Das heißt, dass es bei gleicher Masse mehr Wärme transportieren kann. Oder andersherum: Zum Transport der gleichen Wärmemenge ist eine geringere Masse nötig.

Aufbau der Dampfkessel

Dampfkessel unterscheiden sich je nach Wärmleistung, Dampfleistung und Dampfdruck. Geht es um den Einsatz in Industrieanlagen, kommen dabei zum Beispiel Flammrohr- und Wasserrohrkessel zum Einsatz.

Der Flammrohr-Rauchrohr-Dreizug-Dampfkessel

Der Flammrohrkessel besteht aus einem zylindrischen mit Wasser befüllten Körper. Er gilt als Nachfolger des Walzenkessels, der im 19. Jahrhundert verwendet, und von außen (mantelseitig) mit Wärme versorgt wurde. Moderne Kessel bestehen neben dem Mantel aus einem integrierten Flammrohr, sowie mehreren Rauchgaszügen.

Prinzipskizze vom Aufbau eines Dampfkessels mit Feuerrohr

Schema eines Flammrohr-Kessels

Während sich die Flamme vom gas- oder ölbetriebenen Brenner im Flammrohr ausbildet, erhitzt die entstehende Wärme das umliegende Wasser über dessen Wandungen. Am Ende des Flammrohrs werden die heißen Abgase umgelenkt und in sogenannte Rauchrohre geleitet. Diese führen ebenfalls durch das Kesselwasser und ermöglichen eine besonders hohe Energieausbeute. Auf diese Weise lässt sich die Wärme der Abgase nutzen und der Brennstoffbedarf sinkt.

Da der Dampf im Kessel eingesperrt ist, steigt mit der Temperatur auch der Druck. Konstruktionsbedingt halten Flammrohr-Dampfkessel dabei Anforderungen von bis zu 25 bar stand. Sie erreichen eine Dampfleistung von rund 30 Tonnen pro Stunde. Werden die Anlagen mit zwei Flammrohren und zwei Brennern ausgestattet, steigt die Dampfleistung auf etwa 50 Tonnen pro Stunde.

Der Wasserrohr-Dampfkessel

Bei einem Wasserrohrkessel befindet sich das Wasser in Rohren, die von außen mit heißen Verbrennungsgasen umspült werden. Auf diese Weise lassen sich auch feste Brennstoffe wie Holz oder Hackschnitzel zur Dampferzeugung nutzen. Darüber hinaus liefern die Kessel deutlich mehr Dampf und ermöglichen hohe Drücke von bis zu 200 bar. Im Gegensatz zu Großraumwasserkesseln wie dem Flammrohr-Rauchrohr-Kessel können diese Geräte auch sogenannten Heißdampf herstellen. Dieser hat ein deutlich höheres Temperaturniveau als Satt- oder Trockendampf (Medium, das nach dem Sieden zu 100 Prozent aus Dampf besteht) und transportiert entsprechend mehr Energie.

Hohe Wasserqualität schützt vor Schäden

Da der im Kessel erzeugte Dampf im Betrieb kontinuierlich an die Verbraucher geht, ist ständig Frischwasser nötig. Damit sich kein Kalk ablagert und um die Korrosion der Anlage zu verhindern, muss das sogenannte Speisewasser bestimmten Anforderungen entsprechen. Unter Umständen muss das verfügbare Trinkwasser für den Einsatz in einem Dampfkessel aufbereitet werden.

Abschlammung und Absalzung für lange Lebenszeit

Im Betrieb einer Dampfanlage können sich verschiedene Stoffe bilden, die die Leistungsfähigkeit und die Funktion des Kessels beeinträchtigen. Ein Beispiel dafür sind Feststoffe, die sich am Kesselboden absetzen. Sie können die Funktion von Ventilen oder Armaturen stören und lassen sich durch ein sogenanntes Abschlammventil aus dem Dampfkessel entfernen. Dieses befindet sich bei Großwasserraumkesseln am Boden. Wird es schlagartig geöffnet, entsteht ein Sog, der die Ablagerungen aus dem Kessel transportiert.

Ein zweites Problem stellt die Versalzung des Wassers dar. Denn durch die hohen Betriebstemperaturen bilden sich im Wasser gelöste Salze zurück. Sie können sich auf Wärmeübertragern ablagern, die Leistung des Kessels mindern oder sogar zu Korrosion führen. In den Griff bekommt man das Problem zum Beispiel durch die Überwachung des Salzgehaltes. Das funktioniert zum Beispiel mit einer Elektrode, die die Leitfähigkeit des Wassers misst. Steigt der Wert über einen vorher festgelegten Grenzwert, öffnet sich das Absalzventil und lässt einen Teil des salzhaltigen Kesselwassers abfließen.

Economiser sorgen für höheren Wirkungsgrad

Je höher die Temperatur des frischen Speisewassers ist, desto niedriger ist der Brennstoffbedarf in einem Dampfkessel. Wie bei einer Brennwertheizung nutzt ein sogenannter Economiser die Energie der Abgase zum Vorwärmen des frischen Wassers. Das erhöht den Wirkungsgrad, senkt die Betriebskosten und entlastet außerdem die Umwelt. Denn durch den geringeren Bedarf sinken auch die CO2-Emissionen.

Erfordert eine industrielle Anwendung höhere Dampftemperaturen (Heißdampf), lassen sich diese mit einem sogenannten Überhitzer ermöglichen. Das ist ein Wärmeübertrager, der von Sattdampf (Medium, das nach dem Sieden zu 100 Prozent aus Dampf besteht) und Rauchgasen durchströmt wird. Die heißen Abgase übertragen dabei einen Teil ihrer Energie auf den gesättigten Dampf und führen zu einem Anstieg der Temperatur.

Einsatzmöglichkeiten für Dampfkessel

Aufgrund der Größen der Dampfkessel kommen sie vor allem im industriellen Sektor zum Einsatz. Beispiele dafür sind die Papier- und Baustoffindustrie, die Lebensmittelindustrie oder die Holz verarbeitende Industrie. Der erzeugte Dampf lässt sich dabei für zahlreiche Prozesse, wie die Sterilisation von Materialien oder das Verformen von Holz verwenden.

Alexander Rosenkranz

Fazit von Alexander Rosenkranz

Ein Dampfkessel erzeugt Dampf für industrielle Prozesse. Dieser transportiert mehr Energie als flüssiges Wasser, weshalb bei gleichem Bedarf eine geringere Masse nötig ist. Technisch unterscheidet man heute vor allem Feuerrohr- und Wasserrohrkessel.

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