Viele industrielle Prozesse benötigen keinen Dampf. Sie benötigen heißes Wasser, das stabil und sofort verfügbar ist. Bei Giconmes arbeiten wir seit Jahrzehnten mit Dampf und wissen daher genau, wann Dampf die richtige Lösung ist und wann nicht.
Wir haben gerade einen mit elektrischen Heizelementen beheizten Druck-Heißwasserspeicher für einen Industriekunden entwickelt. Wir erläutern Ihnen die Konstruktionsentscheidungen, die dahinter stehen.
Warum sollte das Wasser unter Druck gesetzt werden?
Bei atmosphärischem Druck siedet Wasser bei 100 °C. Wenn wir es unter Druck setzen, können wir bei Temperaturen über diesem Wert arbeiten, ohne dass es verdampft. Dies hat mehrere Vorteile:
- Mehr Energie bei geringerem Volumen. Jedes zusätzliche Grad entspricht gespeicherter Wärme, ohne dass sich die Größe des Speichers erhöht.
- Kein Kondensat und keine Entleerung. Es entstehen keine Verluste durch Rückverdampfung, und es muss kein Kondensatrücklaufsystem gewartet werden.
- Sehr stabile Temperatur. Das Wasser gibt Wärme gleichmäßig ab, was es ideal für Wärmetauscher, Reaktormäntel oder temperaturgesteuerte Spülvorgänge macht.
Wie wir es konzipiert haben
Der Tank hat einen Außendurchmesser von 1.000 mm und ein Fassungsvermögen von etwa 1.000 Litern. Dies sind die entscheidenden Aspekte:
Gewölbte Böden. Ein flacher Boden hält dem Druck nicht gut stand. Gewölbte Böden verteilen die Kräfte und ermöglichen den Einsatz angemessener Wandstärken.
Heizelemente in abnehmbarem Flansch. Der Heizelementestrang ist auf einem Flanschdeckel mit großem Durchmesser montiert. Er lässt sich zur Inspektion oder zum Austausch vollständig herausnehmen, ohne den Rest des Behälters zu berühren. Bei einem elektrischen Gerät ist dies der wichtigste Wartungspunkt.
Alle Anschlüsse sind bereits in der Konstruktion vorgesehen. Wasserzu- und -ablauf, Temperatur- und Druckmessgeräte, Sicherheitsventil, Entleerung und Entlüftung. Es ist besser,diese von Anfang an einzuplanen, als sie nachträglich anzuschweißen.
Auf Transport und Installation ausgelegt. Stützfüße, Hebeösen und Halteöse. Ein Behälter dieser Größe muss bewegt und sicher verankert werden – und auch das wird bei der Konstruktion berücksichtigt.
So wird die Leistung bemessen
Die grundlegende Berechnung ist einfach. Die benötigte Energie hängt von der Wassermasse, ihrer spezifischen Wärme und der Temperaturdifferenz ab:
P = m · cp · ΔT / t
Ein Beispiel: Erwärmung von 1.000 Litern von 15 °C auf 85 °C in einer Stunde.
1.000 kg × 4,186 kJ/kg·°C × 70 °C / 3.600 s ≈ 81 kW
Hinzu kommen Wärmeverluste und eine Auslegungsreserve. In der Praxis würden wir von einer installierten Leistung von etwa 90 kW sprechen. Wenn der Prozess eine längere Aufheizzeit zulässt, sinkt die Leistung und damit auch die vertraglich vereinbarte Leistungsaufnahme.
Sicherheit: Es handelt sich nicht um einen Haushalts-Wassererhitzer
Ein unter Druck stehender Wassertank speichert viel Energie. Aus diesem Grund:
- Je nach Druck und Volumen kann die Anlage unter die Druckgeräterichtlinie (PED, 2014/68/EU) fallen, was entsprechende Anforderungen an Konstruktion, Fertigung und Dokumentation mit sich bringt.
- Das Sicherheitsventil wird auf die maximale Leistung der Heizelemente ausgelegt.
- Die Heizelemente sind mit einem von der Prozesssteuerung unabhängigen Sicherheitsthermostat ausgestattet.
- Die Isolierung reduziert Verluste und schützt das Bedienpersonal vor heißen Oberflächen.
Heißes Wasser oder Dampf?
Es gibt keine allgemeingültige Antwort. Als Faustregel gilt:
| Bedarf | Beste Option |
|---|---|
| Direkte Injektion, Sterilisation, Dampfreinigung | Dampf |
| Wärmeaustausch bei gleichmäßiger Temperatur | Heißes Wasser unter Druck |
| Befeuchtung oder Klimatisierung | Dampf |
| Speicherung für Spitzenlastzeiten | Heißes Wasser unter Druck |
Viele Anlagen benötigen beides. Wichtig ist, nicht aus Gewohnheit Dampf einzusetzen, wenn heißes Wasser die Aufgabe mit geringeren Verlusten erfüllen würde.
Elektrifizierung der Prozesswärme
Das Heizen mit elektrischen Heizelementen bedeutet null Emissionen im Werk – ohne Schornstein und ohne Brennstoff. Wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt, wird der Prozess wirklich dekarbonisiert. Zudem ermöglicht ein Speicherspeicher das Aufheizen zu Zeiten, in denen der Strompreis am günstigsten ist, und den Verbrauch, wenn der Prozess dies erfordert. Dies eröffnet den Zugang zu Flexibilitätsmärkten und zu Energiesparzertifikaten (CAE).
Häufig gestellte Fragen
Bis zu welcher Temperatur kann ein Druckwasserspeicher betrieben werden?
Das hängt vom Auslegungsdruck ab. Ein Betrieb bei Temperaturen über 100 °C ist möglich, sofern der Druck im Speicher den Sättigungsdruck des Wassers bei dieser Temperatur übersteigt.
Können die Heizelemente ausgetauscht werden, ohne den Behälter zu demontieren?
Der Speicher muss entleert, aber nicht demontiert werden. Dank des abnehmbaren Flansches ist der Austausch ein einfacher Wartungsvorgang.
Ist er teurer als ein Gasheizkessel?
Die Anschaffungskosten sind in der Regel geringer und die Wartung einfacher. Die Betriebskosten hängen vom Strompreis ab und davon, ob Niedertarifzeiten genutzt werden.
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