Dampf: Arten und ihre Unterschiede

Dampf überträgt viel Wärme. Er lässt sich gut steuern und kommt daher in verschiedensten technischen Bereichen zum Einsatz. Abhängig von den Anforderungen der Verbrauchsanlagen lassen sich dabei verschiedene Arten unterscheiden. So gibt es neben Heizdampf (auch Schwarzdampf), gefiltertem Dampf und Reindampf auch sogenannten Reinstdampf. Eine weitere Unterscheidung ermöglicht der Zustand beispielsweise in Sattdampf, Nassdampf und Heißdampf. Deutsche Thermo informiert über Eigenschaften und Anwendungsgebiete der verschiedenen Dampfarten.

Dampftafel

Die Themen im Überblick

Nass, trocken oder heiß: Dampfarten nach Feuchtegrad

Geht es darum, die Anforderungen an technisch genutzten Dampf zu beschreiben, eignet sich die Bezeichnung nach dem Feuchtegrad. Unterscheiden lassen sich dabei:

Nassdampf (Sattdampf)

Trockener Sattdampf

Überhitzter Heißdampf

Während Nassdampf immer etwas Feuchtigkeit mitführen kann, ist trockener Sattdampf frei von feinen Wassertröpfchen. Heißdampf ebenso, da er in einer Überhitzerstufe auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wurde.

Dampfkessel und -umformer erzeugen meist Nassdampf

Steigt die Temperatur von Wasser in einem Kochtopf an, setzt bei einem bestimmten Zustand das Sieden ein. Unter atmosphärischem Druck bilden sich bei 100 Grad Celsius kleine Blasen in der Flüssigkeit, die als Sattdampf oder gesättigter Dampf aufsteigen. Sinkt die Dampftemperatur, kondensiert dieser sofort und bildet kleine Wassertröpfchen.

Ähnlich geschieht es auch in einem Dampfkessel oder einem Dampferzeuger: Das Speisewasser erwärmt sich im Kesselraum und kleine Bläschen steigen auf. Sie stoßen aus der Wasseroberfläche heraus und strömen in die Dampfleitung. Da an der Wasseroberfläche auch kleine Tröpfchen mitgerissen werden, handelt es sich um sogenannten Nassdampf.

Auch in Verteilungsleitungen entsteht nasser Sattdampf

Strömt der Dampf nach dem Kessel durch Verteilungsleitungen zu den Verbrauchsanlagen, kühlt er sich an den Wandungen ab – vor allem nach dem Hochfahren von Dampfanlagen. Das Medium kondensiert und Wassertröpfchen bewegen sich im Dampfstrom mit.

Tröpfchenabscheider sorgen für trockenen Sattdampf

Durch einen hohen Wasseranteil (ein geringer Trockenheitsgrad) überträgt das Medium weniger Energie an Verbrauchsanlagen. Der Grund dafür: Bei der Abkühlung von Wasser geht nur fühlbare Wärme über – bei der Kondensation von Dampf die sogenannte Verdampfungswärme. Letztere ist deutlich höher und daher angestrebt. Erreichen lässt sich ein hoher Trockenheitsgrad mit Tröpfchenabscheidern (auch Dampftrocknern), die dem strömenden Medium kleine und große Wassertröpfchen entziehen. Die folgende Tabelle zeigt, wie das funktioniert.

TrocknungsgradArt der TrocknerFunktion
GrobtrocknungGravitationsabscheiderGroße Querschnitte führen zu einer sinkenden Strömungsgeschwindigkeit und große Tröpfchen fallen nach unten.
UmlenkblecheUmlenkungen an Blechen lassen Tröpfchen mit höherer Trägheit aus dem Dampfstrom herausfliegen, an den Blechen abprallen und ablaufen.
FeintrocknungGlockenabscheiderDie mehrfache Umlenkung des Dampfstroms ermöglicht einen höheren Abscheidegrad als bei einfachen Umlenkblechen.
ZyklonabscheiderDer Dampfstrom wird in eine rotierende Bewegung versetzt, Wassertröpfchen bewegen sich nach außen und bleiben an Abführblechen hängen.

Überhitzerstufen erzeugen trockenen Heißdampf

Mit einer Überhitzerstufe lässt sich besonders trockener Dampf, sogenannter Heißdampf erzeugen. Dazu erhitzen Wärmeübertrager den Sattdampf weiter, sodass sich das Verhältnis von Zustandsgrößen wie Temperatur und Druck verändert. Beim Abkühlen bilden sich nicht sofort Wassertröpfchen und das Medium verhält sich immer stärker wie ein typisches Gas.

Auslegungsdaten von Nassdampf mit einer Dampftafel berechnen

Wie viel Wärme enthält Dampf mit einem bestimmten Trockenheitsgrad und welches Volumen ist zu transportieren? Um das herauszufinden, ist eine Dampftafel erforderlich, in der sich alle wichtigen Daten ablesen lassen. Die Berechnung erfolgt in 3 Schritten.

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Trockenheitsgrad von Dampf berechnen:

Während Sattdampf theoretisch kein Wasser mitführt, befinden sich in Nassdampf mehr oder weniger Wassertröpfchen. Wie hoch deren Anteil ist, zeigt der Trockenheitsgrad. Er ist eins beziehungsweise 100 % bei trockenem Sattdampf und lässt sich mit folgender Gleichung ermitteln:

  • Trockenheitsgrad = 100 – Gewichts-Prozent mitgeführtes Wasser [in %]

Je niedriger der Trockenheitsgrad ist, umso mehr latente Wärme überträgt das Medium an die Verbrauchsanlage, da dabei mehr Dampf kondensiert.

02

Spezifisches Nassdampfvolumen ermitteln:

Für die Auslegung der Dampfanlagen ist auch das spezifische Dampfvolumen von Bedeutung. Es hängt vom Trockenheitsgrad sowie den spezifischen Sattdampf- und Wasservolumina am Siedepunkt ab und lässt sich mit folgender Gleichung berechnen:

  • spezifischen Nassdampfvolumen [in dm³/kg] = (Trockenheitsgrad [in %] / 100) • spezifisches Sattdampfvolumen [in dm³/kg] ) + [(1 – Trockenheitsgrad [in %] / 100) • spezifisches Sattdampfvolumen [in dm³/kg]

Die spezifischen Volumina am Siedepunkt lassen sich bei gegebenem Druck oder gegebener Temperatur aus der Dampftafel ablesen.

03

Wärmeinhalt von Nassdampf berechnen:

Wie viel Wärme führt der Nassdampf mit sich? Wer den Wärmeinhalt berechnet, bekommt eine Antwort auf diese Frage. Erforderlich sind dazu Informationen über die spezifischen Enthalpien von Wasser und Sattdampf am Siedepunkt, wie die folgende Gleichung zeigt:

  • spezifische Enthalpie von Nassdampf [in kJ/kg] = spezifische Enthalpie von Wasser am Siedepunkt [in kJ/kg] + {Trockenheitsgrad [in %] / 100 • (spezifische Enthalpie von Sattdampf [in kJ/kg] – spezifische Enthalpie von Wasser am Siedepunkt [in kJ/kg] ) }

Die benötigten Werte finden sich auch hier in der Dampftafel, wenn Druck oder Temperatur bekannt sind.

Heiz-, Rein- und Reinstdampf: Dampfarten nach Reinheitsgrad

Je nachdem, wo Dampf zum Einsatz kommt, bestehen unterschiedliche Anforderungen an das Medium. Neben dem Trockenheitsgrad spielt dabei auch die Reinheit eine große Rolle. Während Letztere in Heizanlagen weniger wichtig ist, verlangen medizinische und pharmazeutische Prozesse eine besonders hohe Reinheit. Unterscheiden lässt sich Dampf dabei in folgende Kategorien:

Heizdampf (auch Schwarzdampf)

gefilterter Dampf

Reindampf

Reinstdampf

Heizdampf erfüllt die geringsten Anforderungen

Heizdampf oder Schwarzdampf kommt nie direkt mit Gütern in Kontakt. Er strömt durch ein Leitungsnetz zu Wärmeübertragern, an denen thermische Energie auf andere Systeme übergeht. Der Dampf kondensiert, und das Kondensat fließt zum Kessel zurück. Einsetzbar ist Heiz- beziehungsweise Schwarzdampf in Heizungsanlagen, Fernwärmenetzen oder zur indirekten Wärmeversorgung technischer Prozesse. Geringe Verunreinigungen sind dabei problemlos tolerierbar.

Gefilterter Dampf weist eine höhere Reinheit auf

In Lebensmittelbetrieben kommt Dampf oft in direkten Kontakt mit Flaschen, Verpackungen oder Lebensmitteln selbst. Damit es dabei nicht zu einer Kontamination der Güter kommt, sind die Anforderungen an das dampfförmige Medium höher. Ein Grund, aus dem direkt vor der Verbrauchsanlage ein Dampffilter sitzt. Letzterer besteht aus einem Gehäuse sowie einem Filterelement aus Stahl oder Edelstahl, welches Partikel, Dichtungsabrieb und Rost aus dem Medienstrom entnimmt. Bei der Auswahl der Filterelemente kommt es neben dem gewünschten Reinheitsgrad auch auf den zulässigen Druckverlust und die Eigenschaften des Dampfes selbst an.

Reindampf für den Einsatz in medizinischen Bereichen

Geht es um den Reinheitsgrad, unterscheidet sich gefilterter Dampf stark von Reindampf. Denn Letzterer erfüllt höchste Anforderungen, um auch in medizinischen Anwendungen zum Einsatz kommen zu können. Wichtig sind unter anderem ein geringer Anteil nichtkondensierbarer Gase (NKG) und ein niedriger TOC-Wert (Anteil an organischen Kohlenstoffverbindungen). Um diese Anforderungen zu erfüllen, kommt es neben besonders aufbereitetem Speisewasser auch auf die Konstruktion der Anlage an. So sind alle Leitungen, Ventile etc. aus Edelstahl gefertigt, um eine Kontamination zu verhindern.

Reinstdampf gleicht medizinischem Injektionswasser

Reinstdampf erfüllt die höchsten Anforderungen an den Reinheitsgrad und lässt sich daher nur mit aufbereitetem Reinstwasser erzeugen. Letzteres hat eine sehr geringe Leitfähigkeit und enthält nahezu keine Fremdstoffe. Zum Einsatz kommt das Medium beispielsweise zur Sterilisation in medizinischen Anlagen, in der Pharma- und der Biotechnik.

Reinheitsgrad und Anforderungen an Dampfanlagen

Der geforderte Reinheitsgrad wirkt sich direkt auf die Planung von Dampferzeugern und Dampfanlagen aus. Wird lediglich Schwarzdampf benötigt, kommen beispielsweise leistungsstarke Dampfkessel zum Einsatz. Bei dem Speisewasser handelt es sich um sogenanntes Weichwasser und der Dampf strömt durch Leitungsnetze aus C-Stahl.

Dampffilter erhöhen den Reinheitsgrad von Heizdampf

Gefilterten Dampf macht den Einsatz von Dampffiltern vor den Verbrauchsanlagen erforderlich. Außerdem steigen die Anforderungen an das Speisewasser, das aber immer noch einige Additive enthalten darf.

Rein- und Reinstdampfanlagen für die höchste Reinheit

Rein- und Reinstdampf ist mit den höchsten Anforderungen verbunden. Erzeugen lässt er sich aus Rein- oder Reinstwasser (speziell aufbereitetes Speisewasser) in Reindampferzeugern. Diese lassen Heiz- oder Schwarzdampf über einen Wärmeübertrager strömen, um das Speisewasser zu verdampfen.

Alle Leitungen und Armaturen bestehen aus Edelstahl – das entstehende Kondensat kommt im Reindampfprozess nicht weiter zum Einsatz. Nutzen lässt es sich aber, etwa um das Speisewasser mit stofflicher Trennung vorzuwärmen oder Anwendungen mit geringeren Temperaturanforderungen mit Wärme zu versorgen.

Häufig gestellte Fragen

Was unterscheidet Nass-, Satt- und Heißdampf voneinander?

Trockener Sattdampf ist ein Medium, welches keine Wassertröpfchen enthält und bei Siedetemperatur aus Wasser entsteht. Enthält der Sattdampf Wassertröpfchen entweder durch den Dampferzeuger oder durch Kondensationsvorgänge in der Verteilung, spricht man von Nassdampf. Bei Heißdampf handelt es sich hingegen um weiter erhitzten Sattdampf, der sich auch bei geringen Abkühlvorgängen nicht kondensiert. Heißdampf verhält sich mit steigender Temperatur immer mehr wie ein typisches Gas.

Warum sollte Dampf einen hohen Trockenheitsgrad haben?

Ein hoher Trockenheitsgrad steht für einen geringen Wasseranteil. An Verbrauchsanlagen kondensiert mehr Dampf und die übertragbare Wärme ist höher. Wasser überträgt zwar auch Wärme, aber deutlich weniger als am Phasenübergang Dampf/Flüssigkeit.

Was unterscheidet Schwarzdampf, gefilterten Dampf und Reindampf?

Der Unterschied liegt im Reinheitsgrad, der bei Heizdampf oder Schwarzdampf gering sein darf, da das Medium nicht in direkten Kontakt mit Gütern kommt. Bei gefiltertem Dampf, der beispielsweise im Lebensmittelbereich zum Einsatz kommt, ist das anders – aus diesem Grund entziehen Dampffilter dem Medienstrom vor der Verbrauchsanlage verschiedenste Partikel. Rein- und Reinstdampf kommt in medizinischen, biologischen und pharmazeutischen Bereichen zum Einsatz. Das erfordert eine hohe Reinheit, die sich nur mit speziellen Anlagen und sehr stark aufbereitetem Speisewasser erreichen lässt.

Autor: Johannes Partz

Johannes Partz

Johannes ist hier Geschäftsführer. In der Energiebranche ist er seit 2013. Er war in verschiedenen Positionen in Technik und Vertrieb bei Energieversorgern tätig. Seine technische Expertise hat er aus den 3 Jahren als Geschäftsführer bei der Hampel GmbH - einem Gebäudetechnik Unternehmen mit Fokus auf Heizungstechnik, Sanitär, Lüftung und Klima.