Wie wählt man den richtigen Kessel aus?

Kapazität | Wirkungsgrad | Anfahrzeit | Dampfqualität | Feuerraumgröße | Gesamte gespeicherte Energie

Bei der Auswahl des idealen Kessels sollten mehrere Faktoren zur Gesamtbewertung der Leistungsfähigkeit der Anlage berücksichtigt werden. Die Relevanz der einzelnen Faktoren variiert jedoch je nach spezifischer Anwendung.

Das Verständnis darüber, wie der Kessel verwendet wird, ist entscheidend, um festzustellen, welche Leistungsfaktoren im Vordergrund stehen. Hier sind die wichtigsten Auswahlkriterien für den idealen Kessel:

1. Kapazität

Die Kapazität des Kessels, also die Menge an Energie, die er verarbeiten kann, ist ein grundlegender Leistungsfaktor. Dazu gehören Angaben wie BTU/h, Kesselleistung (BHP) oder die Dampfproduktion in Pfund pro Stunde (PPH). Der Kapazitätsbedarf hängt von der geplanten Anwendung und dem erwarteten Bedarf an Dampf oder Warmwasser ab.

2. Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad misst, wie effizient ein Kessel Brennstoffenergie in nutzbare Dampfenergie umwandelt. Dies beeinflusst die Betriebskosten erheblich. Allerdings ist dies nicht der einzige ausschlaggebende Faktor für die Betriebskosten eines Kessels. Die Bewertung des Gesamtwirkungsgrads eines Kessels erfordert mehr als nur eine rechnerische Analyse. Die meisten Kessel geben einen stationären Wirkungsgrad an, der jedoch nur für den Dauerbetrieb gilt. Bei Kesseln mit intermittierendem Betrieb – etwa tägliche Betriebsstunden mit Zyklen und Stillstand am Wochenende – spielen Anfahr- und Abschaltverluste eine entscheidende Rolle für den Gesamtwirkungsgrad. Die Bedeutung einzelner Wirkungsgradfaktoren variiert je nach den betrieblichen Anforderungen der jeweiligen Anwendung.

Für Industriekessel gibt es zwei Hauptarten von Wirkungsgraden: den stationären Wirkungsgrad und den dynamischen Wirkungsgrad.

Der stationäre Wirkungsgrad, auch als Eingangs-Ausgangs-Wirkungsgrad bekannt, misst die Effizienz eines Kessels bei konstantem Betrieb nach dem Aufwärmen. Die Ermittlung dieses Wirkungsgrads erfordert bestimmte Annahmen, die möglicherweise nicht immer mit der konkreten Anwendung übereinstimmen. Der Wirkungsgrad variiert in Abhängigkeit von Faktoren wie Feuerungsleistung, Dampfdruck, Luftüberschuss, Brennstoffart und den Bedingungen im Kesselraum. Unterschiedliche Annahmen können zu abweichenden Wirkungsgraden führen, etwa im Hinblick auf Brennstoffzusammensetzung, Umgebungstemperatur, Dampftemperatur und Wärmeverlust über die Kesselwand. Konsistenz bei diesen Annahmen ist entscheidend für aussagekräftige Vergleiche zwischen verschiedenen Anlagen, da sie den Wirkungsgrad erheblich beeinflussen können.

Der dynamische Wirkungsgrad bezieht sich auf die Effizienz eines Kessels bei Start-Stopp-Zyklen. Das Ein- und Ausschalten eines Kessels erfordert zusätzliche Energie, um Wasser, feuerfeste Materialien und Stahlkomponenten zu erwärmen. Während der Stillstandszeiten geht Energie an die Umgebung verloren.
Die physische Größe des Kessels und sein Wasserinhalt beeinflussen den Energieverbrauch während dieser Ein- und Ausschaltvorgänge.

3. Anfahrzeit

Die Anfahrzeit eines Kessels – vom kalten Zustand bis zum Erreichen des Betriebsdampfdrucks – variiert je nach Kesseltyp. Einige Kessel sind speziell für schnelles Anfahren ausgelegt und erreichen den Betriebsdampfdruck innerhalb weniger Minuten. Im Gegensatz dazu benötigen traditionelle Mehrzug-Flammrohrkessel und industrielle Wasserrohrkessel in der Regel mehrere Stunden, um den Betriebsdruck zu erreichen. Diese längere Anfahrzeit ergibt sich aus der größeren Wassermenge und Materialmasse, die aufgeheizt werden müssen, sowie dem benötigten Zeitraum für die gleichmäßige Ausdehnung der Materialien beim Erwärmen.

Kessel mit kürzeren Aufwärmzeiten zeichnen sich durch Rohrkonfigurationen aus, die eine gleichmäßige Wärmeaufnahme oder flexible Rohrpositionen ermöglichen, kombiniert mit geringem Wasser- und Materialinhalt. Such boilers are available in both Firetube and Watertube designs.
Solche Kessel sind sowohl in Flammrohr- als auch in Wasserrohrausführung erhältlich.

In Situationen, in denen ein Reservekessel benötigt wird, kann die Wahl eines Kessels mit schnellen Anfahrfähigkeiten die Notwendigkeit beseitigen, einen ständig heißen Bereitschaftskessel vorzuhalten, was kostspielig sein kann. Ein kleinerer Kessel mit geringem Wärmeverlust kann den Energiebedarf für die Bereitstellung von Reservekesselleistungen erheblich senken, insbesondere wenn eine schnelle Reaktion erforderlich ist.

4. Dampfqualität

Die Dampfqualität bezieht sich auf den Feuchtigkeitsgehalt im Dampf, wobei ein niedriger Feuchtigkeitsanteil für die meisten Anwendungen vorzuziehen ist, da übermäßige Feuchtigkeit zu Störungen führen kann. Ein niedriger Feuchtigkeitsgehalt ist bei niedrigeren Betriebsdrücken schwerer zu erreichen, da Dampf pro Pfund mehr Volumen einnimmt. Bei Flammrohrkesseln wird die Dampfqualität typischerweise anhand mehrerer Faktoren bewertet:

Trennfläche: Dies bezieht sich auf die Fläche, an der sich der Dampf vom Wasser trennt. Eine größere Trennfläche verringert die Wahrscheinlichkeit, dass Wassertröpfchen mitgerissen werden.

Größe des Dampfraums: Der Dampfraum ist der Bereich, in dem sich der Dampf von der Wasseroberfläche zum Dampfaustritt bewegt. Ein größerer Dampfraum führt zu geringerer Dampfgeschwindigkeit, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Wassertröpfchen absinken.

Innere Dampfgeschwindigkeit: Dies ist die tatsächliche Geschwindigkeit des Dampfes im Dampfraum, beeinflusst durch Faktoren wie Größe und Position der Dampfdüse. Höhere Geschwindigkeiten können dazu führen, dass Wassertröpfchen im Dampf verbleiben, was Probleme wie Wasserstandsausdehnung und Stoßbeschickung verursachen kann.

Mechanische Trennung: Verschiedene mechanische Vorrichtungen können in Kessel eingebaut werden, um die Dampfqualität zu verbessern, indem sie Feuchtigkeit entfernen oder verhindern, dass hohe Dampfgeschwindigkeiten den Wasserstand beeinflussen.

Der Betriebsdruck hat einen erheblichen Einfluss auf die Dampfqualität. Niederdruck-Dampfkessel, wie solche mit einem Betriebsdruck von 25 PSI, haben aufgrund höherer innerer Dampfgeschwindigkeiten Schwierigkeiten, trockenen Dampf zu erzeugen, während Hochdruckkessel, etwa mit 300 PSI, deutlich einfacher trockenen Dampf bereitstellen können.

5. Feuerraumgröße

Bei Kesseln ist die Größe des Feuerraums entscheidend für eine effektive Verbrennung. Ein größerer Feuerraum ist in der Regel erforderlich, um eine optimale Verbrennung zu erreichen, insbesondere bei Anwendungen mit niedrigen NOx-Emissionen und der Verbrennung von Öl oder Festbrennstoffen. Auch die Form des Feuerraums ist relevant; Flammrohrkessel verfügen häufig über runde Feuerräume, die Flammen besser aufnehmen können. Wasserrohrkessel haben in der Regel größere Feuerräume und eignen sich daher besser für Festbrennstoffe.

Hersteller verwenden mitunter Hybridkonstruktionen, die Wasserrohr- und Flammrohrbereiche kombinieren, um die Feuerraumgröße und den Verbrennungswirkungsgrad zu optimieren. Bei Kesseln mit Vormischbrennern, die kleinere Flammen erzeugen, ist ein separater großer Feuerraum möglicherweise nicht erforderlich. Dies ist häufig bei kleineren und auch bei einigen größeren Kesseln der Fall.

6. Gesamt enthaltener Energieinhalt

Der dynamische Wirkungsgrad, ein entscheidender Aspekt der Kesselleistung, konzentriert sich auf die Energie, die erforderlich ist, um den Kessel auf Dampfdruck zu bringen. Dieser Aspekt ist besonders wichtig bei Anwendungen mit häufigen Stillstandszyklen, da während dieser Zeiten erhebliche Energiemengen verloren gehen können. Im Allgemeinen weisen Kessel mit großer Heizfläche einen guten stationären Wirkungsgrad auf, jedoch führt ihre größere Bauweise dazu, dass mehr Wasser, Stahl und feuerfeste Materialien aufgeheizt werden müssen, was während der Stillstandszyklen zu höheren Wärmeverlusten führt. Im Gegensatz dazu benötigen kompakte Kesselkonstruktionen weniger Energie, um den Betriebsdruck zu erreichen, und haben geringere Energieverluste während der Stillstandszyklen.

Traditionelle Scotch-Marine-Flammrohrkessel, die sich durch ihr Gewicht und ihren Wasserinhalt auszeichnen, benötigen aufgrund des hohen Wasserinhalts erhebliche Energiemengen, um das Wasser auf Dampftemperatur zu bringen. Bemerkenswert ist, dass Wasser der Haupt-Energiespeicher ist – 1000 Pfund Wasser benötigen erheblich mehr Energie zum Erhitzen als das gleiche Gewicht an Stahl. Dieser hohe Wasserinhalt unterscheidet traditionelle Scotch-Marine-Flammrohrkessel von Wasserrohrkesseln, die in der Regel einen geringeren Wasserinhalt haben.

Es ist wichtig zu erwähnen, dass es viele weitere Flammrohr- und Wasserrohrkessel mit reduziertem Wasserinhalt und geringerer Baugröße gibt, die häufig verschiedene Wärmeübertragungsverfahren einsetzen, um auch mit kleineren Behältern eine gute Effizienz zu erreichen.