DE10047691C1

DE10047691C1 - Verfahren und Vorrichtung zur fein geregelten Abscheidung von Gasen aus Kesselspeisewasser

Info

Publication number: DE10047691C1
Application number: DE2000147691
Authority: DE
Inventors: Bernhard Kammermeier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-25
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2020-09-26

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur fein geregelten Abscheidung von Gasen aus Kesselspeisewasser, das bei minimalen Schwadenverlusten eine maximale Entgasungswirkung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur fein geregelten Entgasung von Kesselspeisewasser, das bei minimalen Schwadenverlusten eine maximale Entgasungswirkung aufweist.

Betriebsdampf, der auf konventionelle Weise erzeugt wird, enthält neben dem reinen Wasserdampf üblicherweise auch einen mehr oder minder großen Anteil an nicht kondensierbaren Gasen. Diese gelangen in erster Linie mit dem Speisewasser in den Dampferzeuger, da sie in gebundener Form im Wasser enthalten sind.

Insbesondere gebundenes CO₂ ist nach der üblichen Aufbereitung des Speisewassers infolge des Enthärtungsvorgangs enthalten. Bei der Erhitzung im Dampferzeuger werden die gebundenen Gase aus dem Wasser frei und gehen mit dem Dampf zum Verbraucher. Größere Mengen an nicht kondensierbaren Gasen im Dampf schaden bereits bei gewöhnlichen Wärmetauschvorgängen, da sich durch das nicht kondensierbare Gas eine Art Isolierschicht an den Wärmetauschflächen bildet und somit den Wärmeübergang behindert.

Häufig wird eine Entgasung des Speisewassers durchgeführt, um den Gehalt an gebundenen Gasen zu reduzieren. Hierfür sind mehrere Methoden gängig, z. B. die Rieselentgasung, bei der das Speisewasser nach der Enthärtung verrieselt und mit großem Luftvolumenstrom vom CO₂ weitestgehend 'freigespült' wird.

Eine ebenfalls häufig angewandte Methode ist die thermische Entgasung, bei der das Speisewasser vor der Einspeisung in den Dampferzeuger bis zum Siedepunkt erhitzt wird, wodurch die gebundenen Gase frei werden und in Form von Schwaden abgeleitet werden können. Der dadurch erzeugbare Dampf ist zwar weitestgehend, aber nicht vollkommen gasfrei. Nachteilig bei dieser Lösung ist u. a., daß die Speisepumpe Wasser bei Siedetemperatur fördern muß, was besondere Ansprüche an die Pumpe stellt.

Eine spezielle Art von Dampfverbrauchern, nämlich Dampfsterilisatoren für die medizinische und pharmazeutische Anwendung, reagieren besonders empfindlich auf nicht kondensierbare Gase im Dampf. Beim Sterilisationsprozeß mit Dampf müssen die zu behandelnden Güter vollkommen vom Dampf durchdrungen werden. Besonders schwierig ist dies z. B. bei Textilmaterialien. Damit der Dampf auch in die tiefen Schichten vordringen kann, muß die Luft verdrängt werden. Zu diesem Zweck wird üblicherweise mehrfach Dampf zugeführt und zwischendurch wieder abgesaugt bis ins Vakuum. Dadurch entsteht ein Ausspüleffekt, durch den die Luft auch aus den tieferen Schichten eliminiert wird. Wenn aber der Dampf, mit dem die Ausspülung durchgeführt wird, selbst nicht kondensierbare Gase mitführt, so bilden sich im Gut immer wieder Zonen, in denen Gas den Zutritt des Dampfes und damit die Sterilisierwirkung verhindert.

Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde in der neu erschienenen europäischen Norm DIN/EN 285 (Groß-Sterilisatoren) ein sehr niedriger Grenzwert für den Gehalt an nicht kondensierbaren Gasen im Sterilisierdampf vorgeschrieben. Unter Punkt 13.3.2 ist der Grenzwert mit 3,5 Vol.% festgelegt, bezogen auf den kondensierten Zustand. In der Norm für pharmazeutische Sterilisatoren, DIN 58 950, ist ein Grenzwert von 4,0% festgelegt. Die Erfahrungen und eigene Messungen haben gezeigt, daß fast 100% aller Dampfsysteme diese Forderungen nicht erfüllen. Der Gehalt an nicht kondensierbaren Gasen liegt typischerweise bei 10 bis 25 Vol.%.

Eigene Messungen haben gezeigt, daß auch die gängige Methode der thermischen Entgasung, d. h. Aufheizen bis Siedetemperatur bei Atmosphärendruck vor der Einspeisung, nicht zuverlässig zur Einhaltung des erforderlichen Grenzwertes ausreicht, bzw. es ist eine sehr lange Abkochzeit (< 15 Minuten) erforderlich. Zudem ist dieses Verfahren mit erheblichen Dampfschwaden und somit Energieverlusten verbunden.

Zu besseren Ergebnissen und schnellerer Entgasung führt die Aufheizung auf deutlich über 100°C unter Überdruck. Eine so hohe Temperatur des Speisewassers verursacht aber besondere Ausführungsprobleme bei der zugehörigen Speisepumpe, wie auch bereits in der Patent-Nr. DE 42 31 204 C1 erwähnt.

Aus der Patentschrift DE 197 58 301 C1 ist ein Entgasungsverfahren bekannt, bei dem das Abblaseventil in Abhängigkeit der gelösten Gase im Kondensat geregelt wird.

Das Patent-Nr. DE 197 18 347 C2 beschreibt ein Verfahren zur Abscheidung von Fremdgasen aus der Dampfphase und dabei auch einen Entgasungsbehälter, bei dem das Abblaseventil in Abhängigkeit von der Verschiebung des Druck-Temperaturverhältnisses gegenüber den Sattdampfbedingungen angesteuert wird. Die dort erwähnte Druck und Temperaturmeßeinrichtung in Kombination mit einem Rechner, der die Druck-Temperatur- Bezüge gemäß Mollier-Diagramm mit den Meßwerten vergleicht, stellt eine relativ anspruchsvolle Technik dar. Zudem kann das System aufgrund der zwangsläufigen Meßungenauigkeiten das Vorhandensein von Gasen zusätzlich zum Dampf erst ab Gaspartialdrücken von mindestens 200 mbar sinnvoll detektieren.

Hinsichtlich der Qualität der Entgasung ist noch zu erwähnen, daß es vorteilhaft ist, den Gaspartialdruck in der Gasphase oberhalb der zu entgasenden Flüssigkeit möglichst gering zu halten, da damit die Löslichkeit in der Flüssigkeit herabgesetzt wird, d. h. je niedriger der Partialdruck in der Gasphase, desto stärker wird die Freisetzung der Gase begünstigt.

Es besteht also ein Konflikt zwischen dem Ziel der optimalen Entgasungswirkung und dem Ziel der Erzeugung möglichst geringer Dampfschwadenverluste.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein apparatetechnisch einfaches und robustes System zu schaffen, das dennoch geringe Gasanteile in Kesselspeisewasser sensibel detektieren und ableiten kann bei gleichzeitig möglichst geringen Dampfschwaden- und damit Energieverlusten, und bei dem die Speisepumpe so angeordnet werden kann, daß sie kein Heißwasser fördern muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch nachfolgend beschriebenes Verfahren und zugehörige Vorrichtung gelöst.

Bild 1 zeigt eine vorteilhafte Verschaltung eines Dampferzeugers (1) mit der beschriebenen Entgasungsvorrichtung (2).

Die Entgasungsvorrichtung (2) gliedert sich in einen Primärraum (3) und einen Sekundärraum (4). Beide Räume stehen über das Ausgleichsrohr (5) in Verbindung, sodaß die Gasräume Gleichdruck haben. Bei Unterschreiten des Niveausensors LC1 (6) wird über die Speisepumpe (7) und das geöffnete Speisewasserventil (8) frisches, kaltes Wasser zur Entgasungsvorrichtung (2) gefördert. Vor Eintritt in den Primärraum (3) wird es bei der hier beschriebenen Ausführung zunächst durch eine Rohrwendel (9) geleitet, die im Doppelmantel (10) integriert ist, der wiederum über die Dampfzuleitung (11) und die Kondensatrücklaufleitung (12) in direkter Verbindung mit dem Dampfraum des Dampferzeugers (1) steht. Die Beheizung der Entgasungsvorrichtung (2) durch den Dampf des Dampferzeugers (1) bewirkt, daß das Wasser in der Entgasungsvorrichtung (2) im themischen Ausgleich mit dem Dampferzeuger (1) steht. Die Wärmetauscherflächen sind entsprechend den jeweiligen maximalen Durchsatzleistungen zu dimensionieren.

Nach der Rohrwendel (9) wird das Speisewasser über das Einspeiserohr (13) in den unteren Bereich des Primärraums geleitet, und das bereits länger verweilende und entgaste Wasser wird über die Überlaufleitung (14) zum Sekundärraum (4) hin verdrängt. Somit befindet sich im Sekundärraum (4) das heißeste und am besten entgaste Wasser. Von dort gelangt es über die Einspeiseleitung (15) zum Wasserraum des Dampferzeugers (1). Sobald der Niveausensor LC1 (6) das Überschreiten des Sollniveaus meldet, ist der Einspeisevorgang beendet. Während des Einspeisevorgangs ist das Abblaseventil (16) geschlossen, und die Signalgabe des Niveausensors LC2 (17) ohne Funktion. Um eine wasserseitige Rückströmung vom Dampferzeuger (1) zur Entgasungsvorrichtung (2) aufgrund von vorübergehend noch nicht ausgeglichenen Druckverhältnissen zu verhindern, kann in der Einspeiseleitung (15) eine Rückschlagklappe (20) installiert sein.

Erst nach Ende des Einspeisevorgangs und einer ggf. erforderlichen Ausgleichszeit setzt die eigentliche Entgasungsregelung ein. Zur Unterstützung der Herstellung des thermischen Ausgleichs kann eine Druckausgleichsleitung (18) zwischen Dampfraum des Dampferzeugers (1) und der Entgasungsvorrichtung (2) geschaffen werden, die vorzugsweise knapp unterhalb des stabilen Wasserspiegels des Primärraums (3) endet, sodaß dort ggf. noch nicht vollständig aufgeheiztes Wasser durch direkte Dampfeinströmung nachgeheizt wird. Ein Eintauchen der Verbindungsleitung bis in die tieferen und ggf. noch kälteren Schichten ist nicht zu empfehlen, da es erstens zu Kavitationschlägen durch den einströmenden Dampf kommen könnte, und zweitens weil die über dem Austritt der Druckausgleichsleitung (18) lastende Wassersäule einen vollständigen Druckausgleich verhindern würde. In der Druckausgleichsleitung (18) kann als Sicherheit gegen Rückströmen von Speisewasser während des Einspeisevorgangs ein geschaltetes Ventil oder eine Rückschlagklappe (19) eingebaut sein, das allerdings dann einen sehr geringen Öffnungsdruck aufweisen sollte, um dadurch nicht eine Verschiebung des Druckausgleichs zu bewirken.

Die Entgasungsvorrichtung (2) ist im Verhältnis zum Dampferzeuger (1) vorzugsweise so positioniert, daß nach vollständigem Druckausgleich auch im Sekundärraum (4) ein Dampfraum vorhanden ist, und der Wasserspiegel sich mit dem im Dampferzeuger (1) infolge der offenen Verbindung über die Einspeiseleitung (15) weitestgehend ausgleicht. Falls Fremdgase im Speisewasser enthalten sind und durch die Aufheizung freiwerden, wird im Gasraum des Primärraums (3) zusätzlich zum Dampfdruck der entsprechende Partialdruck der Fremdgase wirksam werden. Der erhöhte Gesamtdruck setzt sich über das Ausgleichsrohr (5) zum Sekundärraum (4) fort und bewirkt eine Verdrängung des dort befindlichen Wassers in Richtung Dampferzeuger (1). Das Absinken des Wasserspiegels im Sekundärraum (4) wird über den Niveausensor LC2 (17) detektiert und ab einem bestimmten Grenzniveau öffnet das Abblaseventil (16). Dadurch wird das Fremdgas- Dampfgemisch aus dem Gasraum des Primärraums (3) in eine entsprechende Abblaseleitung abgeführt. Das Spiegelniveau im Sekundärraum (4) gleicht sich dem im Dampferzeuger (1) wieder an, und der Niveausensor LC2 (17) wird wieder überschritten. Dadurch ausgelöst schließt das Abblaseventil (16) wieder. Der Vorgang wiederholt sich solange aufsteigende Fremdgase aus dem Speisewasser eine Gesamtdruckerhöhung bewirken.

Da die Fremdgase typischerweise ein schwereres spezifisches Gewicht aufweisen, wie Wasserdampf, ist es vorteilhaft, die Öffnung des Stutzens zur Ableitung der Fremdgase im unteren Bereich des Gasraums des Primärraums (3) anzuordnen. Um die Überleitung von Fremdgasen in den Sekundärraum (4) möglichst zu vermeiden, ist es vorteilhaft das Ausgleichsrohr (5) im oberen Bereich des Primärraums (3) enden zu lassen.

Aufgrund dessen, daß eine Niveauabsenkung von 1 cm bereits durch 1 Millibar Partialdruck Fremdgase bewirkt wird, und eine Niveauabsenkung dieser Größenordnung mit gängigen Sensoren problemlos erkannt wird, kann das System bereits auf geringste Fremdgasmengen reagieren. In der Praxis werden sich vermutlich 5 bis 10 cm entsprechend 5 bis 10 mbar Partialdruck Fremdgase zur Auslösung der Entgasungsregelung als ausreichend erweisen.

Bild 2 zeigt eine alternative Ausführung. Hierbei wird anstelle eines Niveausensors in der Entgasungsvorrichtung (2) ein Differenzdrucksensor (22) so installiert, daß der Druckunterschied zwischen Dampferzeuger (1) und Entgasungsvorrichtung (2) erfaßt werden kann. Desweiteren ist in der Einspeiseleitung (15) ein Absperrventil (21) plaziert. Bei dieser Ausführung wird nach Abschluß des Einspeisevorgangs das Absperrventil (21) geschlossen. Nach Abschluß des thermischen Ausgleichs haben Dampferzeuger (1) und Entgasungsvorrichtung (2) idealerweise gleichen Druck. Falls jedoch Fremdgase freiwerden, wird der Druck in der Entgasungsvorrichtung (2) ansteigen und höher sein als im Dampferzeuger (1). Dies wird durch den Differenzdrucksensor (22) signalisiert und das Abblaseventil (16) angesteuert.

Der Differenzdrucksensor sollte vorzugsweise mit einem kleinen Meßbereich, z. B. 100 mbar, ausgewählt werden, sodaß auch bei handelsüblicher Technik die Genauigkeit im Bereich von wenigen Millibar recht hoch ist.

Claims

1. Verfahren zur geregelten Abscheidung von Gasen aus Kesselspeisewasser, wobei

A) das Speisewasser vor Eintritt in einen Dampferzeuger (1) durch direkte oder indirekte Beheizung in einer Entgasungsvorrichtung (2) auf annähernd gleiche Temperatur und annähernd gleichen Dampfdruck aufgeheizt wird, wie sie im Dampferzeuger (1) herrschen, und
B) die Entgasungsvorrichtung (2) wasserseitig in direkter, nicht abgesperrter Verbindung zum Verdampfungsraum des Dampferzeugers (1) steht, und
C) die bei der Aufheizung des Speisewassers freiwerdenden Fremdgase sich im Gasraum der Entgasungsvorrichtung (2) ansammeln und aufgrund des zusätzlich zum Dampfdruck entstehenden Partialdrucks der Fremdgase der Gesamtdruck in der Entgasungsvorrichtung (2) höher wird als im Dampferzeuger (1), wodurch das Wasser der Entgasungsvorrichtung (2) zum Dampferzeuger (1) hin verdrängt wird, und das Gasvolumen in der Entgasungsvorrichtung (2) sich erweitert, und
D) die Erweiterung des Gasvolumens und somit die Absenkung des Wasserspiegels in der Entgasungsvorrichtung (2) durch einen Niveausensor LC2 (17) erfaßt wird und bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes ein Abblaseventil (16) angesteuert wird, über das das fremdgashaltige Gasgemisch aus dem Gasraum der Entgasungsvorrichtung (2) abströmen kann, und
E) das Abblaseventil (16) bei Überschreiten des vorgegebenen Niveaugrenzwertes wieder geschlossen wird.

2. Verfahren zur geregelten Abscheidung von Gasen aus Kesselspeisewasser, wobei

A) das Speisewasser vor Eintritt in einen Dampferzeuger (1) durch direkte oder indirekte Beheizung in einer Entgasungsvorrichtung (2) auf annähernd gleiche Temperatur und annähernd gleichen Dampfdruck aufgeheizt wird, wie sie im Dampferzeuger (1) herrschen, und
B) die Entgasungsvorrichtung (2) wasserseitig in direkter, nicht abgesperrter Verbindung zum Verdampfungsraum des Dampferzeugers (1) steht, und
C) ein Differenzdrucksensor (22) den Druckunterschied zwischen Dampferzeuger (1) und Entgasungsvorrichtung (2) erfaßt, und eine Einspeiseleitung (15) zum Dampferzeuger (1) nach dem Einspeisevorgang über ein Absperrventil (21) abgesperrt wird, und die bei der Aufheizung des Speisewassers freiwerdenden Fremdgase sich im Gasraum der Entgasungsvorrichtung (2) ansammeln und aufgrund des zusätzlich zum Dampfdruck entstehenden Partialdrucks der Fremdgase der Gesamtdruck in der Entgasungsvorrichtung (2) höher wird als im Dampferzeuger (1), was die Ansteuerung des Abblaseventils (16) auslöst.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur das heißeste und am besten entgaste Wasser zum Dampferzeuger (1) gelangen kann, indem das Wasser aus dem oberen Bereich des Primärraums (3) der Entgasungsvorrichtung (2) in einen zweiten Raum übergeleitet wird, von dem aus es über eine unter dem Wasserspiegel liegende Verbindung in den Dampferzeuger (1) weitergeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreiten des Sollniveaus im Verdampfungsraum, erfaßt über einen Niveausensor (6), frisches Wasser über eine vor der Entgasungsvorrichtung (2) angeordnete Speisepumpe (7) nachgefördert wird, und während dieser Phase die Regelung des Abblaseventils (16) außer Kraft gesetzt wird, und dieses geschlossen bleibt, sodaß sich ein entsprechender Staudruck aufbauen kann, um eine ausreichend schnelle Nachförderung des Speisewassers auch bei ggf. vorhandenen, relevanten Druckverlusten zu gewährleisten.

5. Vorrichtung zur geregelten Abscheidung von Gasen aus Kesselspeisewasser, wobei

A) die Entgasungsvorrichtung (2) in 2 Räume, einen Primärraum (3) und einen Sekundärraum (4), unterteilt wird, und durch eine Überlaufleitung (14) heißes, entgastes Wasser nur vom oberen Bereich des Primärraums (3) in den Sekundärraum (4) gelangt, und
B) die Gasräume des Primärraums (3) und des Sekundärraums (4) zur Herstellung von Gleichdruck über ein Ausgleichsrohr (5) verbunden sind, und
C) ein Niveausensor LC2 (17) sich im Sekundärraum (4) befindet und den dort gewünschten Wasserspiegel definiert, und
D) ein Stutzen zur Ableitung des Gasgemisches über ein Abblaseventil (16), das in Abhängigkeit vom Niveausensor LC2 (17) geschalten wird, vorhanden ist, und
E) das noch nicht entgaste Speisewasser über ein Einspeiserohr (13) zur Entgasungsvorrichtung (2) in den unteren Bereich des Primärraum (3) geleitet wird, um eine Durchmischung mit dem heißeren bereits entgasten Wasser im oberen Bereich zu minimieren, und
F) das Speisewasser über geeignete und ausreichend dimensionierte Wärmetauscher flächen, auf die Temperatur des Dampferzeugers (1) aufgeheizt wird.

6. Vorrichtung zur geregelten Abscheidung von Gasen aus Kesselspeisewasser, wobei

A) die Entgasungsvorrichtung (2) in 2 Räume, einen Primärraum (3) und einen Sekundärraum (4), unterteilt wird, und durch eine Überlaufleitung (14) heißes, entgastes Wasser nur vom oberen Bereich des Primärraums (3) in den Sekundärraum (4) gelangt, und
B) die Gasräume des Primärraums (3) und des Sekundärraums (4) zur Herstellung von Gleichdruck über ein Ausgleichsrohr (5) verbunden sind, und
C) ein Differenzdrucksensor (22) den erhöhten Druck in der Entgasungsvorrichtung (2) gegenüber dem Dampferzeuger (1) erfaßt, und
D) ein Stutzen zur Ableitung des Gasgemisches über ein Abblaseventil (16), das in Abhängigkeit vom Differenzdrucksensor (22) geschalten wird, vorhanden ist, und
E) das noch nicht entgaste Speisewasser über ein Einspeiserohr (13) zur Entgasungsvorrichtung (2) in den unteren Bereich des Primärraum (3) geleitet wird, um eine Durchmischung mit dem heißeren bereits entgasten Wasser im oberen Bereich zu minimieren, und
F) das Speisewasser über geeignete und ausreichend dimensionierte Wärmetauscherflächen, auf die Temperatur des Dampferzeugers (1) aufgeheizt wird, und
G) in einer Einspeiseleitung (15) zum Dampferzeuger (1) ein Absperrventil (21) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Leistung des nachgeschalteten Dampferzeuger (1) und damit des Speisewasservolumenstroms die technische Ausführung und Größe des Wärmetauschers zur Aufheizung des Speisewassers so gewählt wird, daß zwischen 2 Nachspeisungen die gewünschte Endtemperatur sicher erreicht wird, und auch noch zusätzlich Zeit, zur Verfügung steht, um die Freisetzung der Gase und das Einsetzen der beschriebenen Regelung des Abblaseventils (16) wirksam werden zu lassen.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Sicherheit zur Gewährleistung eines möglichst vollständigen Temperatur- und Druckausgleichs zwischen Entgasungsvorrichtung (2) und Dampferzeuger (1) eine Druckausgleichsleitung (18) vorhanden ist, wobei diese auf Seiten der Entgasungsvorrichtung (2) knapp unterhalb des Wasserspiegels des heißeren oberen Bereiches endet.