Kesselhydraulik

Ein unerklärliches Phänomen


Wie kann es vorkommen, dass in einer Anlage, bei der ein Kessel mit einer Leistung von 100 kW installiert ist und die Anlage zur Zeit einen Leistungsbedarf von 80 kW hat, nur eine Leistung von 70 kW vom Kessel zur Verfügung gestellt wird?
Dass dies vorkommt, wird von den meisten Fachleuten verneint bzw. es wird die Antwort gegeben, dass ein feuerungstechnisches Problem vorliegt.
In der Praxis kann dieses Phänomen auftreten, wenn z. B. ein Kessel mit 100 kW Leistung mit einer Durchflussmenge von 2 m3/h und einer Rücklauftemperatur von 60 °C betrieben wird. Die Leistung, die der Kessel abgibt, errechnet sich gemäß folgender Formel: 
Formel S. 36.JPG

Da die Rücklauftemperatur 60 °C beträgt und der Kessel bei Erreichen von 90 °C über den Regelthermostaten abgeschaltet wird, ergibt sich eine maximal erzielbare Spreizung von 30 K. Diese, multipliziert mit der zur Verfügung stehenden Durchflussmenge von 2 m3/h, ergibt eine Leistung von
70 kW.

Wird in der Anlage nun eine Leistung von 80 kW gefordert, reicht die Leistung des installierten Kessels nicht mehr aus, um diese zu erbringen, obwohl er theoretisch in der Lage wäre, eine Leistung von 100 kW abzugeben. Der Kessel kann diese Leistung nur dann erbringen, wenn die Durchflussmenge der Nenndurchflussmenge entspricht.
Die meisten Kesselhersteller bestimmen die Nenndurchflussmenge für den Wärmeerzeuger bei einer Spreizung von 20 K. Diese sollte konstant dem Wärmeerzeuger zur Verfügung stehen. Je nach Kesseltyp
und -ausführung sind gewisse Abweichungen von dieser Nenndurchflussmenge möglich. In den meisten Fällen wird ein Kessel zwischen ΔT 10 und ΔT 30 K, ohne Schaden zu nehmen, betrieben werden können.
Wird die Spreizung kleiner als 10 K, treten hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Kesselinneren auf. Es können örtliche Zonen nicht mehr korrekt durchströmt werden. Dadurch entstehen örtliche Überhitzungen, und ein Kesselschaden durch Wärmeströmungen kann die Folge sein. Ein ähnliches Phänomen tritt auf, wenn die Spreizung größer als 30 K wird. In diesem Fall wird der Kessel nur teilweise bei den Anschlüssen durchströmt, der weiter entfernte Teil nicht mehr. Auch in diesem Fall können Wärmespannungen auftreten bzw. ein örtliches Überhitzen kann zu einem Schaden führen. In früherer Zeit
waren Kessel relativ unempfindlich, da sie einen hohen Wasserinhalt hatten. 
Moderne Kesselkonstruktionen weisen jedoch einen geringen Wasserinhalt auf. Aus diesem Grund ist bei modernen Kesseln die Einhaltung der Nennwassermenge besonders wichtig. Um bei Kesselfolgeschaltungen die Nenndurchflussmenge exakt einstellen zu können, sind folgende Grundschaltungen möglich.
Phänomen.JPG​Abb. 53:
Ein unglau​bliches Phänomen


1. Jeder Kessel mit eigener Kesselpumpe
Diese Variante stellt die einfachste und eleganteste Möglichkeit dar. Dadurch, dass jeder Kessel eine eigene Kesselpumpe besitzt und mit einem Einregulierungsventil STAF die Kesselwassermenge auf den Nennwert einreguliert wird, können für jeden Kessel die optimalen Arbeitsbedingungen gefunden werden.
Handelt es sich um einen Nieder- bzw. Tieftemperaturkessel, kann auf eine Rücklauftemperaturanhebung
verzichtet werden. Handelt es sich jedoch um einen konventionellen Kessel, ist eine  Rücklauftemperaturanhebung (Kessel K2) zu verwenden.

Kessel mit eigener Pumpe.JPGAbb. 54: Kessel mit eigener Pumpe

Kesselleistung
Kesselleistung.JPG

​Durch die Verwendung der Rücklauftemperaturanhebung wird die Wassereintrittstemperatur auf dem eingestellten Wert garantiert. Die Verwendung der Umwälzpumpe und des Einregulierungsventils im mengenkonstanten Kreis erlaubt auch bei geschlossenem Dreiwegeventil, die Kesselwassermenge auf dem gewünschten Wert zu halten.
Die Wassermenge, die vom Kessel an die Anlage abgegeben wird, ist jedoch nicht konstant, sondern von der Stellung des Dreiwegeventils abhängig. Diese Wassermenge kann von 0 (Dreiwegeventil geschlossen) bis Kesselnennwassermenge (Dreiwegeventil voll geöffnet) schwanken. Um diese unterschiedlichen Wassermengen im Energieerzeugungskreis auszugleichen, muss zwischen Energieerzeugung und -verteilung eine Entkoppelung stattfinden. Hier kann z. B. die hydraulische Weiche helfen. Die hydraulische Weiche ist aber auch notwendig, wenn z. B. drei Niedertemperaturkessel ohne Rücklauftemperaturanhebung verwendet werden. In diesem Fall ändert sich die Wassermenge in der Energieerzeugung, abhängig davon wie viele Kessel in Betrieb sind, sprunghaft.
Hierbei handelt es sich rein theoretisch gesehen um die Parallelschaltung von zwei Pumpen. Da sich aber im gemeinsamen Stromkreis (hydraulische Weiche) praktisch kein Widerstand befindet, ist sichergestellt,
dass die Wassermenge bei zwei in Betrieb befindlichen Kesseln zweimal der Nennwassermenge der Kesseln entspricht (siehe auch Pumpendiagramm „Kessel“) mit eigener Pumpe.
​​Pumpendiagramm_Kessel mit eigener Pumpe.JPGAbb. 55: Kessel mit
eigener Pumpe. 
Pumpendiagramm.


2. Eine gemeinsame Hauptpumpe für alle Kessel
Diese Schaltung wird sehr häufig in der Praxis verwendet, wobei jedoch meist die Kessel im Tichelmann-System verrohrt werden. Die Verwendung des Tichelmann-Prinzips bringt für die Kesselfolgeschaltung keine Vorteile, da der Widerstand der Kessel in den meisten Fällen unterschiedlich ist und auch nicht alle Kessel ständig gleichzeitig in Betrieb sind. Verwendet man jedoch nur Kessel mit Absperrklappen, kann nicht mehr sichergestellt werden, dass beim Betrieb von mehreren Kesseln die Wassermenge für jeden Kessel ausreicht.
Kessel mit gemeinsamer Hauptpumpe.JPG​Abb. 56: Kessel mit gemeinsamer Hauptpumpe​

Nehmen wir nun den Fall, dass ein Kessel arbeitet. Schaltet ein zweiter Kessel zu, wird sich die Gesamtdurchflussmenge aufgrund der niedrigen Widerstände praktisch nicht verändern. Da aber nun plötzlich zwei Kessel in Betrieb sind, erhält jeder der Kessel nur mehr die halbe Durchflussmenge. 

Um dieses Problem zu beseitigen, ist es notwendig, in Serie mit dem Kessel einen höheren Widerstand aufzubauen. Durch diesen hohen Widerstand in Serie kann sichergestellt werden, dass durch Zuschalten
von zusätzlichen Kesseln, die Wassermenge für jeden einzelnen auf dem Nennwert gehalten werden kann (siehe auch „Pumpendiagramm: Kessel mit gemeinsamer Hauptpumpe“). Dieser höhere Widerstand in Serie mit dem Kessel kann auf sehr einfache Weise mit einem STAF-Einregulierungsventil erzielt werden.

Kessel mit gemeinsamer Hauptpumpe_Pumpendiagramm.JPGAbb. 57: Kessel mit gemeinsamer Hauptpumpe​. Pumpendiagramm

Kessel K1 zeigt einen Normal-, Nieder- oder Tieftemperaturkessel ohne die Möglichkeit einer Rücklauftemperaturanhebung. Kessel K2 ist mit einer Kesselumgehungsleitung ausgestattet. Durch diese Kesselumgehungsleitung kann sichergestellt werden, dass auch die Wassermenge immer konstant bleibt. Das Wasser fließt entweder durch den Kessel oder wird an diesem vorbeigeleitet. Durch die Bypassleitung um den Kessel herum entsteht jedoch immer eine Beimischung. Ist ein Kessel in Betrieb und der zweite außer Betrieb, kann die volle Vorlauftemperatur nicht erzielt werden. Diese Schaltung sollte nur dann zum Einsatz gelangen, wenn die Vorlauftemperatur für die Anlage entsprechend der Außentemperatur geregelt wird. Ist es jedoch notwendig, ständig die maximale Kesseltemperatur zur Verfügung stellen zu müssen, muss bei dieser Schaltung auch im Teillastbereich jeder Kessel arbeiten, um die Beimischung zu verhindern. 
Kessel K3 zeigt eine Schaltung mit Rücklauftemperaturanhebepumpe. In diesem Fall wird ein Teilstrom des Wassers vom Vorlauf wieder in den Rücklauf gepumpt. Diese Rücklauftemperaturanhebepumpe ist jedoch nur ein bedingter Schutz gegen Taupunktkorrosion, da sie speziell beim Anfahren der Anlage keine konstante Rücklauftemperatur garantieren kann. Ist eine konstante Kesselrücklauftemperatur gewünscht, ist es besser, für jeden Kessel eine eigene Kesselkreispumpe mit stetiger Rücklauftemperaturregelung zu verwenden (siehe Absatz „Kessel K2“).
Da jedoch auch bei der Verwendung von nur einer Kesselkreispumpe die Wassermengen auf der Energieerzeugung ständig in Abhängigkeit der in Betrieb befindlichen Kessel schwanken, ist es auch hier notwendig, einen Ausgleich zwischen der Wassermenge im Kesselkreis und der Wassermenge bei den Verbrauchern zu schaffen. Auch hier können eine hydraulische Weiche oder ein Pufferspeicher helfen.


3. Ausgleich zwischen Primär- und Sekundärwassermenge
Wie bei den Kesseln erläutert, schwanken die Wassermengen zum einen auf der Energieerzeugungs- und zum anderen auf der Energieverbraucherseite. Diese unterschiedlichen Durchflussmengen müssen über ein Element, in dem eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit herrscht, ausgeglichen werden. Ist die Wassermenge im Energieerzeugungskreis (Kesselkreis) höher als bei den Verbrauchern, wird ein Volumenstrom in der hydraulischen Weiche vom Vorlauf-Kessel zum Rücklauf-Kessel fließen. Steigt die
benötigte Durchflussmenge auf der Sekundärseite über den Wert des Kesselkreises, so wird ein Volumenstrom vom Rücklauf zum Vorlauf in der hydraulischen Weiche fließen. Dadurch entsteht ein Mischpunkt von Rücklauf und Vorlaufwasser, den der Regelfühler messen kann. Ist die Vorlauftemperatur
zu gering, wird dann automatisch über die Kesselfolgeregelung der nächste Kessel in Betrieb genommen.
Bitte beachten Sie jedoch, dass die Verwendung einer hydraulischen Weiche im Regelfall nur für solche Anlagen sinnvoll ist, die gemäß der Außentemperatur geregelt werden. 
Haben Sie noch keine Erfahrung mit dem Selbstbau von hydraulischen Weichen, raten wir grundsätzlich von einer Eigenfertigung ab. Wird die hydraulische Weiche falsch dimensioniert, können sich Teilströme auf der Kessel- und auf der Verbraucherseite ausbilden, ohne dass jedoch ein Temperaturtransport von der Energieerzeugung zum Energieverbraucher stattfindet. In diesem Fall würde der Kesselkreis voll auf Temperatur sein. Die Anlage ist kalt. Ähnliche Probleme können mit falscher Fühlerplazierung etc. auftreten. Aus diesem Grund sollten die von der Industrie vorgefertigten hydraulischen Weichen verwendet werden.

Systemtrennung.JPG​Abb. 58: Systemtrennung durch hydraulische Weiche oder Pufferspeicher.


4. Zusammenschaltung von Regelgruppen mit Energieerzeugern
a) Druckloser Verteiler
Der drucklose oder druckarme Verteiler beruht darauf, dass zwischen Vor- und Rücklaufrohr kein Differenzdruck auftritt. Am Ende ist der Verteiler in voller Dimension zwischen Vor- und Rücklauf verbunden. Die Wassermenge für den Verteiler wird mit einem Regulierventil STAF so einreguliert, dass die
Gesamtwassermenge ca. 3 % höher ist als die maximale Summe der einzelnen Verbrauchermengen.
Dies hat den Vorteil, dass jeder einzelne Verbraucher mit der gleichen Vorlauftemperatur betrieben werden kann. 
Würde nämlich die Gesamtwassermenge im Verteiler zu gering sein, kann es vorkommen, dass der letzte oder die letzten Verbraucher über die Verbindung zwischen Vor- und Rücklauf eine Teilwassermenge ansaugen und so ein Mischpunkt entsteht. Die Vorlauftemperatur für diesen Verbraucher wäre nicht mehr so hoch wie für die vorher liegenden.
Ist jedoch der drucklose Verteiler direkt an einer hydraulischen Weiche situiert, kann von einer hydraulischen Weiche Abstand genommen werden. Es muss jedoch sichergestellt sein, dass die Leistungen der einzelnen Pumpen in den Regelgruppen nicht zu unterschiedlich sind, so dass eine gegenseitige Beeinflussung der Regelgruppen ausgeschlossen werden kann. Ist dies nicht möglich, muss auch in einem System, bei dem die Regelgruppen nahe an der Energieerzeugung liegen, mit einer Sekundärpumpe gearbeitet werden. Wird saugend von der hydraulischen Weiche gearbeitet, darf natürlich der Verteiler am Ende nicht verbunden sein. In diesem Fall würde diese Verbindung einen Kurzschluss darstellen und die Versorgung der Anlage wäre nicht mehr gewährleistet.

Die möglichen Regelgruppen für einen drucklosen Verteile
1. ​Meng​enkonstanter Verbraucher
Die Wassermenge für den Verbraucher wird mit dem Einregulierungsventil STAD auf den gewünschten Wert eingestellt. 
2. Beimischschaltung
4. Doppelte Beimischregelung
Wenn auf der Verbraucherseite die Temperatur bei Nennleistung deutlich niedriger sein soll als die Erzeugertemperatur, wird zwischen Dreiwegeventil und Pumpe über einen gedrosselten Bypass permanent beigemischt. Das STADB ist dabei so zu dimensionieren, dass es den gleichen Widerstand
aufweist, wie das Dreiwegeventil bei Nenndurchfluss. 
Die Abbildung unten zeigt die möglichen Einbausituationen, wenn die Regelgruppen entfernt von der Energieerzeugung bzw. verteilt über die gesamte Anlage eingebaut werden.

Differenzdruckloser Verteiler.JPG

Abb. 59: Differenzdruckloser Verteiler mit möglichen Regelschaltungen. Nicht für Brennwerttechnik geeignet, da am Verteilerende immer eine Rücklaufanhebung erfolgt.



b) Regelgruppen mit differenzdruckbehafteten Verteilern
Verschiedene regeltechnische Schaltungen erfordern einen Differenzdruck am Verteiler. Dieser Differenzdruck kann entweder über drehzahlgeregelte Pumpen oder einen Differenzdruckregler STAP sichergestellt werden. Besteht keine Notwendigkeit der Rücklauftemperaturbegrenzung, kann natürlich
auch der Differenzdruck am Verteiler mit Hilfe eines Bypassventils konstant gehalten werden. Die Konstanthaltung des Differenzdruckes ist unbedingt notwendig, da sie zur Auslegung der Regelventile bekannt sein muss. Ist der Differenzdruck am Verteiler unbekannt, wird in vielen Fällen das Regelventil
falsch dimensioniert sein und so die gewünschten Eigenschaften nicht aufweisen. 
Die verwendeten Regelgruppen sind:
1. Drosselregelung:
Die Menge über dem Verbraucherkreis wird in Abhängigkeit zur Stellung des Durchgangsventils eingestellt. Mit dem Regulierventil wird die Maximalmenge begrenzt. 
2. Differenzdruckstabilisierter Kreis:
Mit Hilfe des Differenzdruckreglers STAP wird für den Verbraucherkreis ein konstanter Differenzdruck gehalten. Die Verwendung eines Differenzdruckreglers ist natürlich nur dann sinnvoll, wenn der Sollwert für den Verbraucherkreis niedriger ist als der am Verteiler anstehende Differenzdruck.

3. Umlenkschaltung
4. Einspritzschaltung mit Durchgangsventil
5. Einspritzschaltung mit Dreiwegeventil
6. Beimischschaltung, druckentlastet
Der Differenzdruck vom Verteiler wurde über eine Bypassleitung und ein Regulierventil abgebaut. Von allen Schaltungen sind für den Einsatz in Fernwärmeobjekten Schaltung 3, 5 und 6 nicht geeignet. Der Grund dafür besteht darin, dass hier eine Rücklaufanhebung entsteht, die für Fernwärmesysteme nicht gewünscht ist.

Die Energiebereitung für diese regeltechnischen Schaltungen kann entweder über einen Fernwärmeumformer erfolgen oder auch durch eine Kesselanlage. Wird eine hydraulische Weiche verwendet, ist in jedem Fall eine Pumpe zur Erzeugung des erforderlichen Differenzdruckes notwendig. Bei Anlagen mit mehreren Verteilern ist es sinnvoll, eine Hauptpumpe zu installieren, bei der die Gesamtwassermenge mit einem Einregulierungsventil kontrolliert werden kann. Der Differenzdruck für jeden Verteiler wird über einen Differenzdruckregler stabilisiert.

Druckbehaftete Verteilung.JPG

Abb. 60: Druckbehaftete Verteilung mit konstantem Differenzdruck durch einen STAP-Differenzdruckregler.​​

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