Einführung
Die industrielle Revolution (ca. 1760-1820) wurde zwar durch Kohle befeuert, aber durch Dampf angetrieben. Menschen nutzen die Kraft des Dampfes seit Tausenden von Jahren, aber erst in den letzten 200 Jahren haben wir begonnen, uns für unzählige industrielle Anwendungen darauf zu verlassen. Dieser Kurs befasst sich mit den Ursprüngen des Dampfes, seiner Theorie (Thermodynamik), Erzeugung und Anwendungen.
Geschichte
Die erste Nutzung von Dampf wurde vor mehreren tausend Jahren aufgezeichnet. Hero von Alexandria schuf im 1. Jahrhundert eine der ersten Dampfturbinen, aber das Konzept fand erst viel später im 19. Jahrhundert Anwendung.
Äolipile (Hero-Maschine)
Zu Beginn der industriellen Revolution entwarf James Watt einen Kolbenmotor, der durch Dampf angetrieben wurde; das Design wurde als Dampfmaschine bezeichnet. Die Dampfmaschine wurde weit verbreitet und wurde zu einem der ikonischsten Antriebe der Zeit.
Boulton und Watt Dampfmaschinenzeichnung
Aber James Watt war nicht der Einzige, der die Kraft des Dampfes nutzte, um nützliche Arbeit zu verrichten. Andere Ingenieure erkannten bald, dass Dampfmaschinen für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden konnten. Einige Anwendungen umfassten den Antrieb von Eisenbahnlokomotiven, Traktoren und Schiffen.
Dampfbetriebenes Automobil
Etwa zur gleichen Zeit, als die Anwendungen von Dampf zunahmen, führten rasche Fortschritte in der Elektrotechnik zu einem Anstieg der Nachfrage nach Antrieben, die zur Erzeugung des neuesten Wunders der Zeit verwendet werden konnten... Elektrizität!
Dampfturbinen erwiesen sich als ideale Antriebe für die neue Stromerzeugungsindustrie. Heute werden über 80% der weltweiten Elektrizität von Dampfturbinenantrieben bereitgestellt.
Fast alle Antriebe der industriellen Revolution wurden durch Dampf angetrieben, und es waren Kessel, die diesen Dampf bereitstellten. Mit dem Wachstum der Anwendungen von Dampf stieg auch die Anzahl und die Designvariationen von Dampfkesseln. Fortschritte in Technologie und Materialien haben immer größere Antriebe ermöglicht, was zu einem entsprechenden Anstieg der Größe und Leistung von Dampfkesseln geführt hat.
Dampf wird in fast allen modernen industriellen Prozessen verwendet, entweder direkt im Prozess oder für sekundäre Dienste wie Wassererwärmung oder Raumheizung. Die nächste Lektion behandelt die Hauptanwendungen von Dampf.
Anwendungen von Dampf
Dampf wird für vier Hauptzwecke verwendet:
- Heizung – geschlossener Kreislauf. Einfaches Design. Niedrige Drücke und Temperaturen.
- Stromerzeugung – Systemdesigns variieren von einfach bis komplex. Breites Spektrum an Drücken und Temperaturen. Kann mittlere bis sehr große Mengen Dampf erzeugen.
- Industrielle Prozesse – ähnlich wie bei Stromerzeugungssystemen, obwohl viel engere Toleranzen hinsichtlich der Dampfqualität bestehen können. Dampfsysteme sind oft entscheidend für den Produktionsprozess der Anlage/Fabrik, d.h. kein Dampf = keine Produktion.
- Mechanische Arbeit – Dampf kann und wird verwendet, um Pumpen, Kompressoren und andere Maschinen anzutreiben, die möglicherweise nicht gut für einen elektrischen Antrieb oder einen anderen Antriebstyp geeignet sind.
Es ist selten, eine Industrieanlage zu besuchen, die keinen Kessel vor Ort hat. Obwohl die Anwendungen von Dampf zahlreich sind, gehören sie im Allgemeinen zu einer der vier oben genannten Kategorien.
Warum Dampf?
Die menschliche Zivilisation benötigt Energie, um zu funktionieren, und zwar viel davon. Ohne Energie wäre es nicht möglich, Wasser in Städte zu pumpen, Elektrizität in Häuser zu liefern, Autos zu fahren oder Gebäude zu heizen. Bevor Energie von Endverbrauchern genutzt wird, muss sie zuerst erzeugt und zum Nutzungsort transportiert werden.
Elektrizität ist ein Beispiel für transportierte Energie. Kraftwerke erzeugen Elektrizität, indem sie Wärme, Druck und/oder kinetische Energie in elektrischen Strom umwandeln. Die Umwandlung der ursprünglichen Energiequelle in elektrische Energie ermöglicht es, sie leicht über große Entfernungen zum Nutzungsort zu transportieren.
Dampf kann und wird auch verwendet, um Energie zu transportieren, aber im Gegensatz zu Elektrizität transportiert Dampf Wärmeenergie und ist ein Fluid. Da Dampf ein Fluid ist und zur Energieübertragung verwendet wird, wird er als Energiefluid bezeichnet.
Ein Fluid hat keine feste Form und gibt nach, wenn äußerer Druck ausgeübt wird, d.h. Fluide fließen leicht. Fluide können flüssig oder gasförmig sein.
Ein Energiefluid ist ein Fluid, das zur Energieübertragung verwendet wird, normalerweise in Form von Wärme (thermische Energie), Druck (Druckenergie) und/oder Geschwindigkeit (kinetische Energie).
Obwohl andere Energiefluide verfügbar sind, wird Dampf als 'das Energiefluid' betrachtet und ist bei weitem das am häufigsten verwendete Energiefluid heute. Die Gründe für die Beliebtheit von Dampf sind eng mit den Eigenschaften des Wassers verbunden, aus dem er hergestellt wird. Wasser ist:
- Reichlich vorhanden.
- Leicht zugänglich (abhängig von der geografischen Lage).
- Billig im Vergleich zu anderen Energiefluiden.
- Ungiftig.
- Leicht zu transportieren, d.h. kann gepumpt werden.
- Leicht zu kontrollieren, d.h. mit Ventilen usw.
Nachdem Wasser in Dampf umgewandelt wurde, wird es zu einem Energiefluid mit vielen vorteilhaften Eigenschaften:
- Eine gegebene Masse Dampf kann fünf bis sechs Mal mehr Energie speichern als eine äquivalente Masse Wasser.
- Es kann effizient erzeugt werden; viele Kessel arbeiten mit >80% thermischer Effizienz.
- Es kann leicht verteilt werden, indem ein Druckunterschied im Dampfsystem erzeugt wird.
- Es ist ungiftig und schadet der Umwelt nicht.
- Es wird nicht funken, entzünden oder verbrennen (intrinsisch sicher).
- Die Energiemenge im System kann leicht durch Regulierung des Dampfdrucks gesteuert werden.
- Die Wärmeübertragungseigenschaften von Dampf sind hoch.
Andere Energiefluide werden normalerweise nur verwendet, wenn bestimmte Variablen die Verwendung von Dampf unattraktiv machen. Zum Beispiel werden Thermoöle (Mineralöl) verwendet, um große Mengen Wärme bei sehr hohen Temperaturen zu transportieren, für die Dampf möglicherweise nicht geeignet ist. Aus Sicherheitsgründen werden Gebäude oft über heißes Wasser weit unterhalb seines Siedepunktes beheizt; die niedrigeren Drücke und Temperaturen belasten auch die Systemrohre und -komponenten weniger, was ihnen eine längere Lebensdauer verleiht.
Das Dampfsystem
Der Zweck von Dampf besteht darin, Energie von ihrem Erzeugungsort zu ihrem Bedarfspunkt zu transportieren, während die mit dem Transport verbundenen Energieverluste minimiert werden. Um dies zu erreichen, bestehen Dampfsysteme aus vier Hauptteilen.
- Brennstoffsystem – liefert chemische Energie an den Kessel (oder die Gasturbine, wenn ein Abhitzedampferzeuger (HRSG) verwendet wird).
- Kessel – wandelt die chemische Energie des Brennstoffs in thermische Energie um.
- Verteilung – transportiert Dampf zum Nutzungsort.
- Sammlung/Rückgewinnung – gewinnt Kondensat (Wasser) aus dem Dampfsystem zurück und führt es dem Kessel zu.
Die oben genannten Systeme bilden einen grundlegenden Prozesszyklus:
- Erzeugung
- Verteilung
- Rückgewinnung
- Wiederholung
Energie wird während der Erzeugung auf den Dampf übertragen. Der Dampf wird dann zum Nutzungsort verteilt, wo ein Teil der Energie vom Dampf übertragen wird. Der Energieverlust führt dazu, dass ein Teil des Dampfes kondensiert und Kondensat bildet, das dann zurückgewonnen, behandelt und dem Kessel zugeführt wird. Der gesamte Prozess ist auf Energieübertragung ausgelegt.
- Erzeugung – chemische Energie des Brennstoffs wird auf das Wasser übertragen. Kesselwasser siedet und verdampft, um Dampf zu bilden.
- Verteilung – Energie wird zum Nutzungsort transportiert.
- Rückgewinnung – ein Teil des Dampfes gibt am Nutzungsort Energie ab und kondensiert zu Wasser.
- Wiederholung – verbleibende Energie im Kondensat wird dem Kessel zugeführt.
Beachten Sie, dass in Kraftwerken, ein Kondensator verwendet werden kann, um den Abgasdampf einer Dampfturbine in Kondensat umzuwandeln, bevor er dem Kessel zugeführt wird.
Zusätzliche Ressourcen
https://en.wikipedia.org/wiki/Steam
https://www.tlv.com/global/ME/steam-theory/principal-applications-for-steam.html
https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/introduction/steam---the-energy-fluid
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Steam