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Dampfkessel

Ein Dampfkessel ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserdampf, und zwar meist unter erhöhtem Druck und entsprechend bei Temperaturen deutlich oberhalb von 100 °C. Er ist die zentrale Komponente eines Dampferzeugers, der außer dem Dampfkessel noch weitere Komponenten enthalten kann, beispielsweise eine Feuerung für die Verbrennung eines Brennstoffs, eine Pumpe für das Speisewasser, Anlagen für die Aufbereitung (z. B. Deionisierung) des Speisewassers sowie Regel- und Überwachungseinrichtungen. Gemäß der Dampfkesselverordnung bezeichnet der Begriff Dampfkesselanlage alle zur Dampferzeugung notwendigen Anlagenteile.

Manchmal wird eine Feuerung auch als Bestandteil eines Dampfkessels betrachtet – insbesondere bei den weit verbreiteten Flammrohrkesseln (siehe unten), bei denen ein Brenner beispielsweise für Erdgas oder Heizöl direkt an den Kessel angeflanscht ist.

Große Dampfkessel werden in sehr vielen Wärmekraftwerken eingesetzt, die auf Dampfturbinen basieren. Bei Großkraftwerken werden enorme Mengen von Dampf (oft mehrere tausend Tonnen pro Stunde) bei sehr hohen Temperaturen und Drucken erzeugt. Bei einem modernen Kohlekraftwerk kann eine Dampftemperatur von ca. 600 °C und ein Druck von z. B. 285 bar verwendet werden, was bereits weit im "überkritischen" Bereich liegt. Bei Kernkraftwerken liegen Druck und Temperatur normalerweise wesentlich niedriger.

Wasserdampf wird jedoch in der Industrie auch vielfach als sogenannter Prozessdampf eingesetzt. Je nach Anwendung werden sehr unterschiedliche Dampfmengen, Drucke und Temperaturen benötigt.

Die Erzeugung von Wasserdampf ist sehr energieaufwendig, und zwar vor allem aufgrund der hohen Verdampfungsenthalpie des Wassers. Von daher ist es entsprechend wichtig, Dampfkessel mit einer hohen Energieeffizienz zu betreiben und nach Möglichkeit Abwärme oder erneuerbare Energie zu nutzen.

Nicht jede Einrichtung zur Erzeugung von Dampf ist ein Dampfkessel. Beispielsweise können in einem Solarkraftwerk auch Parabolrinnenkollektoren der direkten Dampferzeugung dienen, soweit sie nicht von einem Thermoöl durchflossen werden, welches einen Dampferzeuger speist.

Erzeugung von Sattdampf

Häufig enthält ein Dampfkessel einfach einen Wärmeübertrager (den Verdampfer), mit dem Wärme auf das zugeführte Speisewasser übertragen wird, sodass dieses siedet. Auf diese Weise erhält man sogenannten Sattdampf, dessen Temperatur durch den im Kessel herrschenden Druck festgelegt ist (siehe Abbildung 1). Wenn dieser Dampf nach dem Verlassen des Kessels auch nur ein wenig abgekühlt wird, bilden sich wieder Wassertröpfchen.

Der Artikel über Wasserdampf erklärt die Unterschiede von Sattdampf, überhitztem Dampf etc.

Erzeugung von überhitztem Dampf

Überhitzten Dampf erhält man, indem man den erzeugten Sattdampf noch weiter erhitzt (eventuell nach Durchlaufen eines Wasserabscheiders, der restliche Wassertröpfchen entfernt). Hierfür kann ein Dampfkessel einen zusätzlichen Wärmeübertrager (z. B. in Form von Überhitzerschlangen) enthalten, in dem höhere Temperaturen herrschen als im Verdampfer, wo das Wasser siedet. Bei Verwendung einer Feuerung werden die Verbrennungsgase üblicherweise zuerst zu diesem Überhitzer geleitet und erst danach für das Sieden im Verdampfer verwendet. Im Prinzip können auch zwei unterschiedliche Feuerungen hierfür verwendet werden.

Im Diagramm von Abbildung 1 bedeutet die Überhitzung, dass man auf einem Punkt der blauen Kurve startet (der durch den herrschenden Druck festgelegt ist) und von dort aus horizontal nach rechts fährt. Im Prinzip könnte man aber auch den Sattdampf ein Stück weit entspannen (d. h. den Druck reduzieren), um in das Gebiet des überhitzten Dampfs zu kommen (dann mit reduzierter Temperatur).

Überhitzter Dampf wird beispielsweise häufig für den Betrieb von Dampfturbinen benötigt, vor allem weil diese damit einen höheren Wirkungsgrad erreichen.

Erzeugung von Heißwasser

Ein Dampfkessel kann auch so betrieben werden, dass das Wasser darin nicht siedet und den Kessel als Heißwasser verlässt. Dies ist dann der Fall, wenn die Temperatur des Wassers beim Durchlaufen des Kessels unterhalb der Siedetemperatur für den herrschenden Druck bleibt. Beispielsweise erhält man Heißwasser, wenn die Kesseltemperatur bei einem Druck von 30 bar unterhalb von ca. 220 °C liegt. Die Bezeichnung Dampfkessel ist dann freilich fragwürdig, da ja gar kein Dampf mehr erzeugt wird; Heißwassererzeuger oder Heißwasserkessel ist dann angemessener.

Flammrohr- und Wasserrohrkessel, Abhitzekessel

Bei einem Flammrohrkessel befinden sich die von einer Feuerung erzeugten Flammen in einem (meist horizontal gelagerten) Rohr, welches von dem siedenden Wasser umgeben ist. Diese Bauart mit einer zylindrischen Form wird für industriellen Prozessdampf bei moderaten Drucken häufig verwendet. Sie hat vielfach die früher benutzten Großwasserraumkessel abgelöst, bei denen das Wasser in einem Kessel von außen her erwärmt wird, wo ein effektiver Wärmeübergang schwerer erreichbar ist als im Flammrohrkessel.

Ein Abhitzekessel kann ähnlich wie ein Flammrohrkessel gestaltet sein; jedoch laufen durch das Rohr in diesem Fall heiße Verbrennungsgase und nicht eine Flamme.

In Kraftwerken werden dagegen häufiger Wasserrohrkessel verwendet, bei denen sich das Wasser in Rohren befindet, die von den Verbrennungsgasen umströmt werden. Diese Bauart erlaubt das Erreichen höherer Drucke, da nur die vergleichsweise kompakten Rohre dem hohen Druck ausgesetzt sind. Der Fluss des Wassers kann durch natürliche Konvektion zustande kommen (Naturumlaufkessel) oder auch durch eine Pumpe angetrieben werden (Zwangsdurchlaufkesse und Zwangsumlaufkessel).

Elektrodampfkessel

Während Dampfkessel in der Regel Wärme aus einem Verbrennungsprozessen nutzen (und bei Kernkraftwerken von einem Kernreaktor), gibt es auch Elektrodampfkessel. Hier kann Wärme beispielsweise mit Elektroheizstäben erzeugt werden, oder bei sogenannten Elektrodenkesseln auch dadurch, dass elektrischer Strom durch das Wasser geleitet wird. Da die Verwendung hochwertiger elektrischer Energie für die Wärmeerzeugung ineffizient ist, werden Elektrodampfkessel in aller Regel nur für recht kleine Dampfleistungen oder bei eher seltener Verwendung eingesetzt. Ein sehr kleiner Elektrodampfkessel kann beispielsweise in einem Dampfreiniger oder einem Dampfbügeleisen enthalten sein.

Verbrauch von Dampf auf verschiedenen Druckniveaus

Es kann vorkommen, dass in einem Industriebetrieb Dampf für unterschiedliche Anwendungen auf unterschiedlichen Druck- und Temperaturniveau benötigt wird. Man kann dann separate Dampfkessel für diese Anwendungen betreiben. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen einzigen Dampfkessel bei der höchsten benötigten Temperatur und dem entsprechenden Druck zu betreiben und die benötigten niedrigeren Drucke zu erzeugen, indem man den Dampf durch entsprechend eingestellte Expansionsventile leitet. Eine wesentlich höhere Energieeffizienz erreicht man jedoch, wenn man diese Druckdifferenz zur Stromerzeugung nutzt. Hierfür können Dampfmotoren eingesetzt werden. Dies kann auch dann sinnvoll sein, wenn generell nur Dampf bei moderaten Drucken und Temperaturen benötigt wird, aber einfach Dampf mit wesentlich höheren Drucken und Temperaturen erzeugt werden kann.

Verbindung mit einer Gasturbine

Wenn ein Dampfkessel mit Erdgas befeuert wird, kann es energetisch sehr sinnvoll sein, ihn mit einer Gasturbine zu kombinieren. Die Gasturbine dient dann meist zur Erzeugung elektrischer Energie, und ihre noch recht heißen Abgase werden dem Dampfkessel zugeführt (der dann auch als Abhitzekessel bezeichnet wird). Auf diese Weise kann ein gewisser Teil der Energie des Erdgases (z. B. 25 %) in Form wertvoller elektrische Energie gewonnen werden.

Natürlich kann auch Abwärme aus anderen Quellen für die Dampferzeugung genutzt werden, vorausgesetzt dass sie auf ausreichend hohem Temperaturniveau verfügbar ist.

Aufbereitung des Speisewassers

Es ist energetisch sehr sinnvoll, einem Dampfkessel nicht einfach kaltes Wasser zuzuführen, sondern das Speisewasser in einem sogenannten Economiser (Rekuperator) vorzuwärmen. Dies ist eine Art von Wärmeübertrager, den die Verbrennungsgase nach dem Dampfkessel durchströmen. Es wird also die Restwärme der Verbrennungsgase für die Speisewasservorwärmung verwendet.

Wasser enthält oft mineralische Stoffe, die beim Erhitzen zum Teil ausfallen können. So kann sich in einem Dampfkessel eine Kalkschicht ablagern, die den Wärmeübergang zunehmend behindert und womöglich sogar Leitungen verstopfen kann. Ebenfalls kann es vorkommen, dass zu salzhaltiges Wasser beim Sieden schäumt, wobei Tröpfchen salzhaltigen Wassers mit dem Dampf mitgerissen werden und in nachfolgenden Anlagenteilen womöglich Korrosion auslösen können. Um all dies zu verhindern, wird das Speisewasser oft entsprechend vorbehandelt. Eine Möglichkeit besteht in der Deionisierung; hierbei werden nicht etwa alle mineralischen Stoffe entfernt, sondern vielmehr solche Ionen, die vor allem für die Abscheidung verantwortlich sind, durch andere Ionen ersetzt (Ionentauscher). Üblicher ist heute jedoch die Vollentsalzung, d. h. die vollständige Entfernung der im Wasser gelösten Ionen mithilfe von zwei unterschiedlichen Ionentauscher (Kationenaustauscher und Anionenaustauscher), die vom Wasser nacheinander durchlaufen werden.

Der Aufwand für die Vorbehandlung ist natürlich viel geringer, wenn das Wasser sich wie beispielsweise in einem Dampfturbinenkraftwerk in einem geschlossenen Kreislauf bewegt. Dagegen wird in der Industrie eingesetzter Prozessdampf nach der Verwendung oft nur teilweise oder gar nicht als Kondenswasser zurückgewonnen, welches als praktisch mineralstofffreies Speisewasser wieder verwendet werden könnte. In solchen Fällen kann der Aufwand für die Vorbehandlung des Speisewassers erheblich sein.

Gefahrenpotenzial von Dampfkesseln

Die teilweise enormen Temperaturen und Drucke in Dampfkessel bedeuten natürlich ein erhebliches Gefahrenpotenzial. Die Explosion eines Dampfkessels (Kesselzerknall) kann nämlich enorme Verwüstungen anrichten und Menschen blitzartig verbrühen. Deswegen sind entsprechende konstruktive Maßnahmen für Dampfkessel zwingend notwendig, und außerdem müssen solche Kessel im Betrieb sorgfältig überwacht werden. Entsprechende Beschaffenheitsvorschriften und Betriebsvorschriften sind gesetzlich vorgegeben.

Explosionen von Dampfkessel können sehr unterschiedliche Ursachen haben. Beispielsweise kann ein überhöhter Druck auftreten als Folge von Verstopfungen durch Verkalkung, und dieser Druck kann die Kesselwände zum Bersten bringen. Sehr schädlich ist auch der Betrieb unter Wassermangel, wobei die Heizflächen überhitzt und geschädigt werden können. Schäden sind auch durch Übermüdung möglich, insbesondere bei häufigen Änderungen der Betriebsparameter Temperatur und Druck. Eine weitere mögliche Ursache ist die Korrosion z. B. infolge Verwendung ungeeigneter Werkstoffe oder von Speisewasser mit einer nicht geeigneten Qualität. Im Übrigen kann ein Kessel durch äußere Einwirkungen beschädigt werden.

Siehe auch: Wasserdampf, Heißwasser, Dampferzeuger, Dampfmaschine, Dampfmotor, Dampfturbine, Kraftwerk, Economiser, Energieeffizienz, Elektrodenkessel