Mit kaltem Dampf effektiv heizen

Prozesse unter 100 °C mit Vakuumdampf regeln

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30.08.2019 Dass Dampf aufgrund seiner konstanten Kondensationstemperatur ein ideales Heizmedium ist, wissen die meisten Prozessbetreiber. Weniger bekannt ist dagegen, dass es auch Dampfheizungen für Temperaturen im Bereich von 50 bis 100 °C gibt.

Entscheider-Facts

  • Die im Bereich unter 100 °C eingesetzten Heißwasser-Heizsysteme haben Nachteile.
  • Vakuumdampf-Heizsysteme können auch schon bereits ab 50 °C eingesetzt werden.
  • Vakuumdampf heizt besonders schonend und die Systeme sind kompakt.
The mist with the effect of dry ice on black background

Bild: waraphorn_ap – AdobeStock

Heißwasser und Überdruckdampf sind die in Anlagen der Lebensmittel- und Pharmaindustrie wohl am häufigsten eingesetzten Wärmeträger. Ihre Verwendung ist abhängig von der Anwendung vor Ort. Bei Prozessen mit Heiztemperaturen über 100  °C oder bei temperaturunempfindlichen Produkten kommt meistens Dampf als Wärmeträger zum Einsatz. Denn Dampf hat eine ganze Reihe technischer Vorzüge.

Dampf gibt seine Verdampfungswärme an das zu beheizende Medium ab und kondensiert dabei. Durch diesen Phasenwechsel von Gas zu Flüssigkeit ist Wärmeübergang von Dampf zu Wasser mindestens um den Faktor 3 besser als der Wärmeübergang von Wasser zu Wasser. Der hohe Wärmeübergang sorgt also für schnelle Aufheizzeiten. Weil die Wärme bei der Kondensation bei konstanter Temperatur über die gesamte Heizfläche abgegeben wird, erfolgt die Beheizung gleichmäßig, was der Produktqualität zugute kommt. Auch die schnelle und genaue Regelung wirkt sich positiv auf die Produktqualität aus: Per Dampfheizung ist es möglich, schnell und mit einer hohen Genauigkeit auf Durchsatzschwankungen oder Störgrößen zu reagieren. Und weil Dampf einen besonders hohen spezifischen Wärmeinhalt beziehungsweise eine hohe Energiedichte besitzt, können Anlagen kompakt gebaut werden.

1-Prinzip-Vacuumizer

Prinzip des Vakuum-Dampfsystems zur Beheizung von Prozessen im Temperaturbereich von 50 bis 100 °C.

Forderung nach positiver Druckdifferenz ist Herausforderung für Heißwassersysteme

Trotz dieser Vorteile verwenden Prozesse unter 100 °C oder mit empfindlichen Produkten zumeist Heißwassersysteme, besonders in der Lebensmittel und Pharma-industrie. Der Grund ist die Reduktion der Temperatur an der Wärmeübertragungsfläche, um Auswirkung auf das Produkt zu vermeiden. Heißwassersysteme sind ausgereift und einfach zu handhaben, sind jedoch limitiert, wenn eine sehr hohe Regelgenauigkeit, Temperaturkonstanz über die gesamte Heizfläche oder schnelle Aufheizzeiten verlangt werden.

Durch unterschiedliche Temperaturen im Vor- und Rücklauf ist eine isotherme Beheizung über die gesamte Heizfläche ausgeschlossen. Dies kann teilweise durch eine hohe Wasserumlaufmenge kompensiert werden, was jedoch einen großen Platzbedarf für solche Anlagen sowie einen hohen Energiebedarf bedingt.

Auf Änderungen von Sollwert oder Durchsatz reagiert ein Heißwassersystem ebenfalls relativ träge, so dass Genauigkeiten von ±3 K schwerlich zu übertreffen sind. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Sicherheit und Hygiene von Lebensmitteln. Diese ist in vielen europäischen Regelwerken thematisiert, wie etwa Art. 14 der Basisverordnung (EG) Nr. 178/2002. Die European
Hygienic Engineering and Design Group (EHEDG) nimmt darauf Bezug und verlangt, dass Design und Konstruktion von Ausrüstungsgegenständen und Anlagen sicherstellen müssen, dass Lebensmittel sicher und zum Verzehr geeignet sind.

Als Standard legt die DIN EN 1672-2 Nahrungsmittelmaschinen Sicherheits- und Hygieneanforderungen fest.

Diese Norm fordert u.a., dass Lebensmittel nicht mit Hilfs- und Betriebsstoffen wie Schmiermitteln kontaminiert werden dürfen. Aus diesem Grund verfolgen viele Anlagen und Hersteller das Konzept des „Positive Pressure“. Dies stellt sicher, dass das Produkt einen höheren Druck hat als Hilfsstoffe wie die Heizmedien Dampf oder Wasser. Durch diese positive Druckdifferenz dringt bei Leckagen etwa in Pasteuren, Behältern und Wärmeübertragern Produkt ins Heizmedium ein, und nicht umgekehrt!

Heißwassersysteme mit großen Umwälzmengen haben üblicherweise auch einen hohen Pumpdruck. Dies erfordert in einer Anlage mit Positive Pressure eine entsprechend aufwendige Sensorik, die zu jeder Zeit eine positive Druckdifferenz sicherstellt. Zudem steigen die Kosten der Spezialpumpen für die Produktumwälzung, als Beispiel bei Produkten mit gewissen Feststoffanteilen wie etwa Smoothies.

2-Grafik-Vacuumizer

Vergleich Heißwassersystem und Vakuumdampf-Heizsystem. Bilder:TLV

Effektives Heizen mit kaltem Dampf

Durch den Einsatz eines Vakuumdampfsystems kann der Anlagenbetreiber jedoch die beschriebenen Herausforderungen meistern. Vielen Betreibern ist die Möglichkeit nicht bekannt, Dampf unter Vakuum zu nutzen, denn auch in der Literatur enden Dampftafeln meist bei Atmosphärendruck und 100 °C. Die Sattdampfkurve setzt sich jedoch im Vakuumbereich fort. So hat beispielsweise Wasser bei 60 °C einen Dampfdruck von 0,2 bar. Zudem schrecken viele vor einer vermeintlich aufwendigen und schwierigen Vakuumtechnik zurück.

Eine Niedertemperaturbeheizung mit Dampf erlaubt es daher, auch bei Temperaturen unter 100 °C Dampf mit den beschriebenen Vorteilen einzusetzen. Hoher Wärmeinhalt mit großem Wärmeübergang ermöglichen es, auch empfindliche Produkte mit Dampf schnell und gleichmäßig aufzuheizen. Die entsprechende Anlage ist kompakt und benötigt geringere Pumpleistungen im Vergleich zum Heißwassersystem.

Durch die Möglichkeit der schnellen und genauen Regelung von Dampf lassen sich Pasteure dynamisch regeln. Somit ist es möglich, schnelle Massenstrom-
änderungen der Produktseite innerhalb vorgegebener Parameter wie min/max. Temperatur und min/max. Pasteur-Einheiten, zu realisieren, sodass eine Anpassung des Prozesses an die tatsächliche Linienleistung möglich wird. Dies bedingt ebenfalls eine Energieeinsparung aller installierten Antriebe.

Weitere Vorteile einer solchen dynamischen Regelung sind die Reduzierung von Produktverlusten durch die Minderung der Schrittwechsel Produkt – Sterilwasser – Produkt. Dies bedingt einen geringeren Energiebedarf und einen geringeren Massenstrom durch die Reduzierung von Sterilwasserumlaufzeiten. Durch den geringen Druck des Heizmediums ist es zudem für den Anlagenbetreiber einfach, der Positiv Pressure-Forderung zu genügen, ohne auf der Produktseite eine aufwendige Sensorik oder teure Produktpumpen mit großer Förderhöhe zu benötigen.

Das Kondensat im Griff

Mit einem bewährten Vakuumdampfsystem sind Entwässerungprobleme gelöst, welche durch Kondensatrückstau Wasserschläge oder Temperaturschwankungen verursachen können. Das System Vacuumizer umfasst als Hauptkomponenten:

  • ein Stellventil,
  • eine Heißdampfkühlung und
  • die Vakuumeinheit mit Kondensat-Ejektorpumpe.

Das System beheizt Prozesse im Temperaturbereich von 50 bis 100 °C mit einer Genauigkeit von ±1 K und ermöglicht schnelle Anfahrzeiten ohne Überschießen des Sollwertes. Bereits das Anfahren der Heizphase erfolgt mit Vakuumdampf entsprechend der Solltemperatur, was ein Überschießen sicher vermeidet. Hierzu evakuiert die Kondensat-Ejektorpumpe zunächst den gesamten Dampfraum bei geschlossenem Dampfeinlass. Im Ejektorkreis des Vakuum-Pumpstandes wird Kondensat umgepumpt, wobei in der Ejektordüse der notwendige Unterdruck entsteht, um Luft oder Kondensat aus dem Dampfraum des Verbrauchers und den Leitungen anzusaugen.

Nach erfolgter Evakuierung wird der Dampfeinlass geöffnet und Dampf über das Stellventil eingespeist. Dieses stellt den Vakuumdruck und damit die Temperatur entsprechend ein. Um eine isotherme Beheizung sicherzustellen, ist dem Druckregler eine einfache, aber wirksame Heißdampfkühlung nachgeschaltet: Ein Nadelventil düst leicht überdosiert Kondensat aus der Druckseite des Ejektorkreises in die Dampfleitung ein. Zuviel eingebrachtes Kondensat wird über einen hochwirksamen Zyklontrockner mit integriertem Freischwimmer-Kondensatableiter ausgetragen und in die unter Unterdruck stehende Kondensatleitung abgeführt. So ist sichergestellt, dass der Verbraucher mit guter Sattdampfqualität versorgt wird.

Eine spezielle Auslegung der Kondensat-Ejektorpumpe evakuiert mittels des erzeugten Vakuums nicht nur den Dampfraum, sondern saugt auch das enstehende Kondensat an. Der Dampfraum ist immer sachgemäß entwässert. Neben der präzisen Temperaturregelung, den kurzen Anfahr- bzw. Aufheizzeiten zeichnet sich das Vakuumdampf-System besonders durch eine sehr kompakte Bauweise und geringeren Energiebedarf im Vergleich zu konkurrierenden Heißwassersystemen aus.

 

Heftausgabe: Pharma+Food September 2019

Über den Autor

Dr. Thomas Straeten, TLV Euro Engineering
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