DE19718347C2 - Verfahren zur Reinigung von Wasserdampf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Wasserdampf, wobei insbesondere nicht kondensierbare Gase aus dem Dampf abgeschieden werden sollen.

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.

Nachteilig ist auch, daß es innerhalb eines längeren Dampfrohrsystemes auf dem Weg vom Dampferzeuger bis zum Verbraucher wieder zu einer Aufkonzentrierung nicht kondensierbarer Gase kommen kann. Insbesondere in einer wenig oder nur diskontinuierlich durchströmten Rohrleitung kommt es durch Wärmeverlust über die Rohrwandung zu Kondensation des reinen Wasserdampfes, wobei jedoch die nicht kondensierbaren Gase als Gas erhalten bleiben. Durch die Kondensation entsteht örtlich ein Druckabfall. Demzufolge muß frischer Dampf in diesen Bereich nachströmen. Der frische Dampf bringt jeweils geringe Mengen an nicht kondensierbaren Gasen mit sich. Über einen längeren Zeitraum erhöht sich der Gasgehalt im betreffenden Rohrstück erheblich, was bei Zuschaltung des nachfolgenden Verbrauchers zu Schwierigkeiten führen kann.

Eine spezielle Art von Dampfverbrauchern, nämlich Dampfsterilisatoren für die medizinische 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. Die Erfahrungen und eigene Messungen haben gezeigt, daß fast 100% aller Dampfsysteme in Krankenhäusern diese Forderungen nicht erfüllen. Der Gehalt an nicht kondensierbaren Gasen liegt typischerweise bei 10 bis 25 Vol.%. Auch die gängigen Entgasungsmaßnahmen des Speisewassers führen nicht zur sicheren Einhaltung des erforderlichen Grenzwertes, zudem Sterilisatoren stark diskontinuierlich arbeiten und infolgedessen der oben beschriebene Aufkonzentrationseffekt an nicht kondensierbaren Gase im Rohrsystem immer wieder schädlich Einfluß nimmt.

Speziell für Sterilisierdampf bestehen zusätzlich auch noch besondere Anforderungen an den Reinheitsgrad. Dies ist der Grund, weshalb z. B. in Krankenhäusern neben dem Großdampferzeuger in konventioneller Ausführung zur Versorgung des gesamten Gebäudes zusätzlich häufig ein spezieller Reindampferzeuger zur Versorgung der Sterilisatoren installiert ist. Dieser ist komplett in Edelstahl gefertigt und wird von einer separaten Speisewasseraufbereitung versorgt. Das Speisewasser wird nicht nur enthärtet, sondern vollentsalzt. Der Kostenunterschied zwischen enthärtetem Wasser und vollentsalztem Wasser ist erheblich. Mit der erforderlichen Speisewasserentgasungseinrichtung sind die Anschaffungs- und Betriebskosten derartiger Reindampferzeuger hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches und praxisgerechtes Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, die nicht kondensierbaren Gase verbrauchernahe aus dem Dampf abzuscheiden. Zusätzlich sollen erforderlichenfalls auch andere störende Verunreinigungen aus dem Dampf abgeschieden werden können, so daß konventioneller Hausdampf soweit gereinigt wird, daß die Ansprüche an Reindampf erfüllt werden. Die Anschaffungs- und Betriebskosten sollen niedriger liegen, als die für einen vergleichbaren konventionellen Reindampferzeuger.

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

Nur als Beispiel seinen hierbei die für die typische Anwendung des Systems zur Versorgung von Sterilisatoren möglichen Betriebsdrücke (Überdruck) angegeben:

• 1. Vordruck unreiner Dampf (1): ca. 5 bis 10 bar
• 2. Betriebsdruck Verdampfungsraum (3): ca. 2,5 bis 4,5 bar
• 3. Betriebsdruck Abscheideraum (4): ca. 3 bis 8 bar (stets niedriger als 1, üblicherweise höher als 2)

Es wird der unreine Dampf (1) zunächst über einen Wärmetauscher (2) kondensiert, und der Effekt ausgenutzt, daß im entstehenden Kondensat die nicht kondensierbaren Gasen als separate Phase enthalten sind. Wegen der Nähe zum Siedepunkt werden diese Gase auch nicht wieder im Kondensat gelöst.

Über einen Kondensatableiter (18) wird das Gemisch aus Kondensat und nicht kondensierbaren Gasen zu einem Abscheideraum (4) geleitet, in dem sich die Gasphase vom Kondensat trennen kann.

Der Abscheideraum (4) kann unter atmosphärischem Druck betrieben werden, was aber zur Folge hat, daß es bei höherem Vordruck des unreinen Dampfes zu erheblicher Nachverdampfung und damit zu Energie- und Kondensatverlusten kommt.

Vorzugsweise wird eine Regeleinrichtung vorgesehen, die über einen Drucksensor (10) und einen Temperatursensor (11) den Gasraum auf Sattdampfzustand hin überprüft durch Vergleich der Meßwerte mit den theoretischen Sattdampfbedingungen. Falls ein hoher Anteil an nicht kondensierbaren Gasen im unreinen Dampf enthalten war, wird sich ein höherer Druck ergeben, als es der gemessenen Temperatur nach Sattdampfbedingung entsprechen würde. Demzufolge wird das Brüdenventil (12) geöffnet und solange abgeschwadet, bis wieder Sattdampfzustand erreicht ist, oder bis der gewünschte Betriebsdruck des Abscheideraums (4) unterschritten wird.

Alternativ können bei geringeren Genauigkeitsanforderungen auch rein mechanisch­ thermische Dampfentlüfter, die bei Abweichung vom Sattdampfzustand eine Öffnung freigeben, eingesetzt werden.

In jedem Falle wird der Druck im Abscheideraum (4) niedriger geregelt als es dem Vordruck des unreinen Dampfes (1) entspricht, damit über den Kondensatableiter (18) eine Strömung zum Abscheideraum (4) hin stattfindet.

Vorzugsweise wird der Druck im Abscheideraum (4) aber auch höher geregelt, als es dem gewünschten Druck im Verdampfungsraum (3) entspricht. Dadurch ist gewährleistet, daß das im Abscheideraum (4) gesammelte Kondensat über die Nachspeiseleitung (6) ohne zusätzliche Druckerhöhungspumpe zum Verdampfungsraum (3) strömen kann. Eine Nachspeisepumpe (7) muß nur dann eingebaut werden, falls aus besonderen betriebstechnischen Gründen der Abscheideraum (4) niedriger geregelt werden müßte als der Verdampfungsraum (3). Besondere Gründe könnten sein, daß z. B. bestimmte Gase im Kondensat enthalten sind, die trotz der hohen Temperatur bei Überdruck im Kondensat gelöst bleiben. Ein anderer Grund könnte auch sein, daß aus Kosten- oder betriebstechnischen Gründen der Abscheideraum (4) nicht als Druckbehälter ausgeführt werden kann.

Die Nachspeisung des Kondensats aus dem Abscheideraum (4) in den Verdampfungsraum (3) wird je nach Anforderung an die Reinheit hinsichtlich Verschmutzungen und Gehalt an gelösten Inhaltstoffen (Salze) unterschiedlich durchgeführt, wobei beide Systeme in einer Anlage kombiniert sein können, und eine betriebsabhängige Umschaltung gesteuert werden kann.

Die Umschaltung wird vorteilhafterweise dadurch geregelt, daß eine Leitfähigkeitsmeßeinrichtung (20) im Abscheideraum (4) eingebaut und ausgewertet wird. Bei Überschreiten des zulässigen Grenzwertes erfolgt die Nachspeisung über die Kondensatnachreinigungseinrichtung (8). Bei ausreichend niedriger Leitfähigkeit des Kondensats geschieht die Nachspeisung direkt, um Kühlwasser und Energie zu sparen oder einen ggf. eingebauten Ionenaustauscher nicht unnötig aufzubrauchen.

Da das Kondensat des unreinen Dampfes im Verdampfungsraum (3) ein zweites mal 'destilliert' wird, wird der daraus entstehende Dampf zwangsläufig sauberer sein als der unreine Dampf. Bei geringerem Verschmutzungsgrad des unreinen Dampfes oder geringeren Ansprüchen an den gereinigten Dampf ist es ggf. ausreichend einen einfachen Partikelfilter (19) in der Nachspeiseleitung vorzusehen.

Die Massenverhältnisse zwischen erzeugtem Kondensat aus dem eingesetzten unreinen Dampf und dem Verbrauch an Kondensat zur Erzeugung des gereinigten Dampfes halten sich bei diesem System ziemlich genau die Waage. Die Kondensationsenthalpie des unreinen Dampfes ist wegen des höheren Druckniveaus etwas niedriger als die Verdampfungsenthalpie des gereinigten Dampfes mit dem niedrigeren Druckniveau. Dies würde heißen, es wird theoretisch 1 bis 2% mehr Kondensatmasse gebildet als Reindampfmasse erzeugt wird. Es muß jedoch berücksichtigt werden, daß das Kondensat dem Verdampfungsraum (3) mit einer Temperatur geringfügig oberhalb der Siedetemperatur zuströmt, da der Abscheideraum (4) unter höherem Druck steht, so daß sich der Verbrauch an unreinem Dampf minimal verringert. Desweiteren muß berücksichtigt werden, daß das Kondensat beim Eintritt in den Abscheideraum (4) eine Nachverdampfung erfährt. Die Nachverdampfungsmenge muß über die Brüdenleitung (5) abgeführt werden. Dadurch steht wieder etwas weniger Kondensat für die Nachspeisung zur Verfügung. Bei rein theoretischer Berechnung wird ca. 1% weniger Kondensat zur Verfügung stehen, als gereinigter Dampf erzeugt wird.

Im praktischen Betrieb der Anlage muß allerdings eingerechnet werden, daß der unreine Dampf nicht zu 100% gesättigt ist, sondern einen nicht unerheblichen Anteil an Feuchtigkeit (geschätzt 5% der Masse) mit sich führt. Andererseits kann der unreine Dampf ggf. auch überhitzt einströmen.

Um die Verschiebung der Mengenbilanz zwischen verfügbarem Kondensat und abströmendem, gereinigtem Dampf ausgleichen zu können, sieht die Erfindung nach Bild 1 entsprechende Regelungen vor.

Der Abscheideraum (4) ist mit einer Niveauregeleinheit (13) ausgerüstet, die im Falle einer Überfüllung des Abscheideraums (4) Kondensat über ein Ablaßventil (14) abströmen läßt, wobei das heiße Kondensat vorzugsweise zuvor über einen Wärmetauscher (9) abgekühlt wird. Die Kühlwasserzufuhr über das Kühlmittelventil (22) wird zweckmäßigerweise über eine Temperaturregeleinrichtung (23) anforderungsgerecht gesteuert.

Im Falle von mangelnder Füllhöhe im Abscheideraum (4) wird die Erzeugung von zusätzlichem Kondensat ausgelöst, indem ein zusätzlicher Strom des unreinen Dampfes abgezweigt, in einem Wärmetauscher (15) durch Kühlung kondensiert und dem Abscheideraum (4) zugeführt wird. Bei entsprechender Ausrüstung mit Absperrventilen könnte hierfür anstelle des Wärmetauschers Nr. (15) auch der Wärmetauscher Nr. (9) mitgenutzt werden.

Falls besondere Ansprüche an die Reinheit des Dampfes bestehen, wird das Kondensat aus dem Abscheideraum (4) vor der Einspeisung in den Verdampfungsraum (3) durch die Kondensatnachreinigungseinrichtung (8) geleitet, wo die störenden Inhaltstoffe entzogen werden. Dabei kann es sich um eine Einrichtung mit gängigen Verfahren der Wasseraufbereitung, z. B. Ionenaustauscher, Umkehrosmose, Filtration usw. handeln. Üblicherweise können diese Einrichtungen aber nicht bei höheren Temperaturen betrieben werden, so daß es erforderlich ist, das Kondensat mittels Wärmetauscher (9) vorher zu kühlen.

Zur Einsparung von Kühlenergie ist es vorteilhaft hierzu ein rekuperatives Wärmetauschersystem vorzusehen, durch das ein wesentlicher Teil der vor der Kondensatnachreinigungseinrichtung (8) aufgenommenen Wärmeenergie anschließend wieder an das System zurückgegeben wird. Ein Beispiel zur Ausführung ist in Bild 2 dargestellt. Dabei wird das heiße Kondensat im Wärmetauscher (9.1) auf den gewünschten Wert abgekühlt. Das aufgeheizte Trägermedium wird mittel einer Umwälzpumpe (21) zum Wärmetauscher (9.2) gefördert, in dem die zuvor aufgenommene Energie zu einem großen Teil wieder an das Kondensat abgegeben wird. Zur erforderlichen tiefen Abkühlung des Trägermedium wird noch ein Wärmetauscher (9.3) vorgesehen, über den das Trägermedium auf die gewünschte Temperatur für den erneuten Eintritt in den Wärmetauscher (9.1) abgekühlt wird. Die Ansteuerung des Kühlmittelventils (22) wird vorzugsweise über eine Temperaturregeleinrichtung (23) ausgelöst.

Um vor dem Eintritt in den Verdampfungsraum (3) eine noch höhere Temperatur zu erreichen, kann das Kondensat nach Austritt aus dem Wärmetauscher (9.3) über einen weiteren Wärmetauscher (nicht gezeichnet) geführt werden, über den auf der Heizseite der Brüdendampf aus dem Abscheideraum (4) geleitet wird. Alternativ kann das Kondensat nach dem Wärmetauscher (9.3) auch noch zusätzlich über Rohrschlangen (nicht gezeichnet) innerhalb des Abscheideraums (4) geleitet und dadurch nachgeheizt werden.

Da es im Verdampfungsraum (3) durch den 'Einkochvorgang' zu einer Aufkonzentration von Salzen kommt, sieht die Erfindung nach Bild 1 zweckmäßigerweise eine Leitfähigkeitsmeßeinrichtung (16) zur Kontrolle der Wasserqualität vor. Bei Überschreiten eines zulässigen Grenzwertes wird eine entsprechende Menge aufkonzentrierten Volumens über das Absalzventil (17) abgelassen und durch Nachspeisung von frischem Kondensat der Salzgehalt wieder auf das zulässige Niveau zurückgeführt. Wenn auch der Salzgehalt im Abscheideraum (4) hoch ist, erfaßt über eine zweite Leitfähigkeitsmeßeinrichtung (20), so erfolgt die Nachspeisung über den Weg der Kondensatnachreinigungseinrichtung (8).

Für den praktischen Betrieb der Vorrichtung ist es sinnvoll, die Leitfähigkeit nach der Kondensatnachreinigungseinrichtung (8) ebenfalls zu überwachen, insbesondere bei Verwendung von Ionenaustauschern, um eine Erschöpfung der Austauscherharze automatisch signalisieren zu können.

Claims (6)

1. Verfahren zur Reinigung von Wasserdampf, insbesondere zur Abscheidung von nicht kondensierbaren Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß

• A) der als Heizmedium zur Verfügung stehende unreine Dampf (1) über einen Wärmetauscher (2) seine Energie an Wasser in einem Verdampfungsraum (3) abgibt, wodurch ein 2-Phasen-Gemisch aus Kondensat und nicht kondensierbaren Gasen entsteht, das zu einem Abscheideraum (4) geleitet wird, aus dem die nicht kondensierbaren Gase über eine Brüdenleitung (5) abgeleitet werden.
• B) der Druck im Abscheideraum (4) niedriger geregelt wird als es dem Vordruck des unreinen Dampfes (1) entspricht, aber vorzugsweise höher, als es dem gewünschten Druck im Verdampfungsraum (3) entspricht.
• C) das im Abscheideraum (4) gesammelte Kondensat über eine Nachspeiseleitung (6) dem Verdampfungsraum (3) zugeleitet wird, wobei der vorzugsweise höher geregelte Druck im Abscheideraum (4) die Überströmung selbständig gewährleistet und eine Nachspeisepumpe (7) nur dann eingebaut werden muß, falls aus besonderen betriebstechnischen Gründen der Abscheideraum (4) niedriger geregelt werden müßte als der Verdampfungsraum (3).
• D) im Falle besonderer Ansprüche an die Reinheit des Dampfes, das Kondensat aus dem Abscheideraum (4) vor der Einspeisung in den Verdampfungsraum (3) durch eine Kondensatnachreinigungseinrichtung (8) geleitet wird, in der mit gängigen Verfahren der Wasseraufbereitung, z. B. Ionenaustauscher, Umkehrosmose, Filtration usw. die störenden Inhaltstoffe entzogen werden, wobei das Kondensat mittels Wärmetauscher (9) gekühlt wird, falls es sich um eine Kondensatnachreinigungseinrichtung (8) handelt, die nur bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden darf, z. B. Ionenaustauscher.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieverlust durch die abströmenden Brüden aus dem Abscheideraum (4) so gering wie möglich gehalten wird, indem Regelarmaturen eingebaut werden, die die Abströmung nur dann freigeben, wenn im Gasraum des Abscheideraums (4) ein Druck oberhalb des gewünschten Betriebsdruckes herrscht, oder wenn eine erkennbare Abweichung vom Sattdampf­ zustand meßbar ist, d. h., wenn der Druck höher ist als der theoretische Sattdampfdruck bei der jeweils herrschenden Temperatur, wobei vorzugsweise hierzu ein genauer Drucksensor (10) und ein genauer Temperatursensor (11) einzusetzen und die gemessenen Werte in einem Rechner mit den theoretischen Sattdampfwerten zu vergleichen und in Abhängigkeit davon das Brüdenventil (12) anzusteuern ist, wobei alternativ bei geringeren Genauigkeitsanforderungen auch rein mechanischthermische Dampfentlüfter, die bei Abweichung vom Sattdampfzustand eine Öffnung freigeben, eingesetzt werden können.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Anwendung einer Kondensatnachreinigungseinrichtung (8), die eine vorherige Kühlung erfordert, vorzugsweise ein rekuperatives Wärmetauschersystem eingesetzt wird, das die dem Kondensat entzogene Wärme diesem nach der Reinigung wieder zuführt, und das als zusätzliche Nachheizmedien den Brüdendampf oder das Kondensat aus dem Abscheideraum (4) verwendet.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheideraum (4) mit einer Niveauregeleinheit (13) ausgerüstet ist, die im Falle einer Überfüllung des Abscheideraums (4) Kondensat über ein Ablaßventil (14) abströmen läßt, wobei das heiße Kondensat vorzugsweise zuvor über einen Wärmetauscher (9 bzw. 9.1) abgekühlt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheideraum (4) mit einer Niveauregeleinheit (13) ausgerüstet ist, die im Falle von mangelnder Füllhöhe im Abscheideraum (4) die Erzeugung von zusätzlichem Kondensat auslöst, indem ein zusätzlicher Strom des unreinen Dampfes abgezweigt, in einem Wärmetauscher (15) durch Kühlung kondensiert und dem Abscheideraum (4) zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungsraum (3) mit einer Leitfähigkeitsmeßeinrichtung (16) ausgerüstet ist, die in Verbindung mit einer Steuereinheit bei Überschreiten eines zulässigen Grenzwertes eine entsprechende Menge aufkonzentrierten Volumens über das Absalzventil (17) abläßt, und durch Nachspeisung von frischem Kondensat den Salzgehalt wieder auf das zulässige Niveau zurückführt, wobei vorteilhafterweise zusätzlich eine zweite Leitfähigkeitsmeßeinrichtung (20) im Abscheideraum (4) eingebaut und ausgewertet wird und in Abhängigkeit von diesem Meßwert die Nachspeisung bei Bedarf über die Kondensatnachreinigungseinrichtung (8) geführt wird.