Kondensatableiter für die Lebensmittelproduktion

Saubere Trennung

05.07.2007 Wasserdampf ist einer der effizientesten Energieträger: große Energiedichte, hervorragender Wärmeübergang und besonders umweltfreundlich. Überall wo Dampf verwendet wird, entsteht Kondensat – durch Wärmeverluste in den Rohrleitungen oder gewollt beim Prozess der Wärmenutzung im Verbraucher. Wichtigstes Regelorgan in Dampfanlagen sind Kondensatableiter, die es in unterschiedlichen Funktionsprinzipien gibt.

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Wo liegt der Unterschied zwischen Heißdampf und Sattdampf? Sattdampf ist Dampf im Bereich des jeweiligen Kondensationspunktes, abhängig vom Druck. Dieser Dampf ist sozusagen gerade bereit zu kondensieren und dabei, seinen großen Wärmeinhalt abzugeben. Der überhitzte Dampf muss erst abkühlen, um diesen Zustand zu erreichen. Die dabei frei gegebene Energie ist verhältnismäßig gering, bewirkt jedoch einige gravierende Nachteile. Die wichtigsten sind im Verhältnis zu große Wärmeübertragungsflächen und damit teure Apparate, unklare und stark variierende Temperaturverhältnisse sowie schlechtere Regelbarkeit. Heißdampf wird deswegen in industriellen Anlagen nicht eingesetzt; bei allen folgenden Betrachtungen handelt es sich deshalb um Sattdampf im technisch realisierbaren Rahmen.

Kondensatableiter – warum?

Die wichtigste Aufgabe eines jeden Kondensatableiters ist es, den Dampfraum vom Kondensatraum zu trennen. Dampf soll ungehindert zum Beheizen der Wärmeübertragungsflächen zur Verfügung stehen; das dabei entstehende Wasser stört den Wärmeübergang jedoch und muss daher schnellstmöglich entfernt werden. Gleichzeitig darf es dabei nicht zu Dampf- und somit zu Energieverlusten und folglich zu unnötigen Kosten kommen. Könnte Dampf ungehindert entweichen, wären die Druckverhältnisse und damit die Temperaturverhältnisse im geregelten Wärmeübertrager nicht mehr definiert und deshalb unregelbar. Andererseits führt schlecht abgeleitetes Kondensat zur Störung des Wärmeübergangs sowie zu Schlägen und damit Geräuschbildung.

In jeder Dampfanlage gibt es Luft oder, wie es in der Fachsprache heißt, „nicht kondensierbare Gase“. Vor allem bei Anlagenstillstand füllen sich die Rohrleitungen mit Luft, aber auch unter Vakuumbedingungen, oder es kommt bei nicht optimal aufbereitetem Speisewasser für den Dampfkessel zu Lufteintrag. Die Luft stört auf dreierlei Arten: Sie behindert den Wärmeübergang, sie setzt den Partialdruck des Dampfes herab und damit die Temperatur und sie kann als Luftpolster in einer Rohrleitung den freien Dampffluss behindern. Neben der Trennung von Dampf und Kondensat ist bei Kondensatableitern daher auch immer ihre Entlüftungsqualität zu beachten. Die Klassifizierung von Kondensatableitern ergibt sich nach DIN EN 26704, wobei wir uns an dieser Stelle nicht vollständig an die DIN-Begriffe, sondern an die in der Praxis gebräuchlicheren Bezeichnungen halten. Fünf wichtige Typen finden hauptsächlich Anwendung:

  • thermische Bimetall-Kondensatableiter,
  • thermische Kapsel-Kondensatableiter,
  • thermodynamische Kondensatableiter,
  • mechanische Glockenschwimmer-Kondensatableiter sowie
  • mechanische Kugelschwimmer Kondensatableiter.

Der energetisch und anwendungstechnisch sehr problematische Blenden- oder Labyrinthableiter wird heutzutage aus gutem Grund nur noch selten eingesetzt.

Hohe Dampfdrücke und eine robuste Konstruktion zeichnen Bimetall-Kondensatableiter aus. Leider verfügen sie über schlechte Entlüftungseigenschaften und sind deshalb für Anlagen, die häufiger an- und abgefahren werden, eher ungeeignet. Deshalb spielen Bimetall-Kondensatableiter in der Lebensmittelindustrie keine nennenswerte Rolle. Keinesfalls sollte man sie bei dampfseitig geregelten Anlagen wie Sudpfannen, Mantelbeheizungen oder Dampftrocknern einsetzen, da sie Kondensat zurückstauen und es auf diese Weise zu schwankender Regelung, Dampfschlägen und Geräuschbildung kommt.

Vor- und Nachteile sorgfältig abwägen

Der thermische Kapsel-Kondensatableiter ist der heute wohl am meisten eingesetzte Ableitertyp. Seine Ableitcharakteristik folgt exakt der Dampfkurve und er ist ein sehr guter Entlüfter. Der kompakte Aufbau erlaubt den Einsatz auch unter räumlich engen Bedingungen. Zur allgemeinen Leitungsentwässerung, bei der Entwässerung von Sterilisationskammern und als Dampfentlüfter ist er erste Wahl. Die grundsätzliche Konstruktion erlaubt auch die Verwendung von Edelstahl und FDA-zugelassenen Werkstoffen. Oberflächengüten bis Ra0,4µm und auch die Eignung für direkte CIP-Anwendungen ist gegeben.

Auch der thermische Kapsel-Kondensatableiter unterkühlt Kondensat und staut es deshalb zurück. Für dampfseitig geregelte Wärmeübertrager oder zur Entwässerung von Dampftrocknern ist er nur unter besonderen konstruktiven Bedingungen geeignet.
Immer dann, wenn es besonders wichtig ist, kompakt und robust zu bauen, ist der „TD“, der thermodynamische Kondensatableiter, die richtige Wahl. Während die Entlüftungseigenschaften nicht so gut sind wie beim thermischen Kapselableiter, benötigt diese Variante keine Unterkühlung und staut deswegen nicht zurück. Die Unempfindlichkeit gegen Schmutz und die Unzerstörbarkeit nach dem Einfrieren beim Einsatz im Freien machen ihn zur richtigen Lösung für spezielle Einsatzfälle. In den üblichen Anwendungen in der Lebensmittelindustrie findet man ihn seltener.
Der Glockenschwimmer-Kondensatableiter wird heute leider immer noch viel zu häufig eingesetzt. Er verfügt über nur sehr mangelhafte Entlüftungseigenschaften und seine Entlüftungsbohrung führt zu ständigen potenziellen Energieverlusten. Das Anleitprinzip selbst funktioniert hinreichend gut, besondere Eigenschaften, die die genannten Nachteile kompensieren, gibt es jedoch nicht. Mehr aus historischen Gründen findet man immer noch Anbieter, die diesen Ableittyp verwenden, in der Lebensmittelindustrie gibt es jedoch mit Kapsel- und Kugelschwimmer-Ableitern weit bessere und sinnvollere Lösungen.
Der Kugelschwimmer-Kondensatableiter verfügt in den Augen vielee Fachleute über das ideale Ableitprinzip: sofortiges Ableiten des Kondensats ohne Unterkühlung, sicher dicht und damit energieeffizient, geeignet für große Leistungen und mit eingebautem Entlüfterelement auch universell einsetzbar. Der Kugelschwimmer-Kondensatableiter wird insbesondere bei allen dampfseitig geregelten Anlagen eingesetzt. Die aufwändigere Konstruktion und die Baugröße führen zu einem höheren Preis, so dass für einfachere Anwendungen, wie zum Beispiel die Leitungsentwässerung, der thermische Kapselableiter aus wirtschaftlichen Erwägungen die bessere Wahl ist. Ansonsten kann der Kugelschwimmer-Ableiter fast bei allen Anwendungen eingesetzt werden.

Nicht alle sind geeignet

Immer dann, wenn es bei dampfbetriebenen Wärmeübertragern zu lauten Schlägen, Geräuschbildung, Beschädigung durch Korrosion oder instabiler Regelung kommt, ist der Rückstaueffekt die Ursache. Er entsteht, wenn der Druck im Kondensatnetz sich dem Dampfdruck im Wärmeübertrager annähert oder diesen gar übersteigt, vor allem also im Schwachlastbetrieb. Die richtige Problemlösung für solche Fälle ist der Einsatz eines aktiven Kondensatableiters, der in der Lage ist, nicht nur abzuleiten, sondern auch gleichzeitig zu pumpen.

Die Sonderbauform Blenden- oder Labyrinthableiter ist die kritischste Bauform eines Kondensatableiters und wird in modernen Anlagen nur sehr selten eingesetzt. Während unter optimalen, stabilen Umständen das Funktionsprinzip theoretisch durchaus geeignet ist, zeigt die Praxis jedoch, dass solche Bedingungen nur äußerst selten vorkommen. Schnell staut dann entweder Kondensat ungewollt zurück oder aber es geht in nennenswertem Umfang Dampf verloren – die Betriebskosten steigen. Eine zusätzliche Problematik entsteht durch die starke Verschmutzungsanfälligkeit.

Bei den fünf wichtigsten Typen von Kondensatableitern sollte man sorgfältig deren Vor- und Nachteile abwägen

Heftausgabe: Juli 2007
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Über den Autor

Klaus Rümler, Geschäftsführer Spirax Sarco
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