Kondensator (Verfahrenstechnik)

Schematische Darstellung eines Kondensators

Ein Kondensator in der Verfahrenstechnik dient der physikalischen Kondensation.

Darunter versteht man das Übergehen eines Stoffes vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand.

Kondensatoren dienen in Wärmekraftmaschinen und in Kälteanlagen zur Verflüssigung des Abdampfes bzw. des dampfförmigen Kältemittels. Dies ermöglicht in den genannten Anlagen einen geschlossenen Kreisprozess.

Entsprechend der Begriffsbestimmung in der deutschen Übersetzung der Europanorm EN 378 Teil 1 wird der Kondensator bei Kälteanlagen als Verflüssiger bezeichnet, um eine sprachliche Abgrenzung zum elektrischen Kondensator zu schaffen.

Geschichte

Mit der Erfindung des Kondensators durch James Watt konnten erstmalig Dampfmaschinen gebaut werden, die einen vergleichsweise geringen Energiebedarf hatten. Ein Kondensator ist daher ein entscheidendes Element für den effizienten Betrieb von Dampfmaschinen und Dampfturbinen und seine Einführung gilt als Meilenstein der Technikgeschichte.

James Watt nutzte für seine Maschinen die einfache Bauform des Einspritzkondensators. In ein getrenntes Gefäß hinter dem Dampfauslass der Maschine wird kaltes Wasser eingespritzt. Der Dampf verflüssigt sich und hinterlässt ein fast vollständiges Vakuum. Dieses Vakuum ermöglicht eine verbesserte Ausnutzung der im Dampf innewohnenden Wärmeenergie zur Erzeugung von Bewegungsenergie. Einspritzkondensatoren werden auch heute noch angewendet; sie sind aber sehr selten geworden, da sie wegen des Eintrages von gelösten Stoffen kein nutzbares Kondensat für die Speisung des Dampfkessels liefern können.

Bauarten

Überschlägige Berechnung der Kaltwassermenge

Ein aufgeschnittener Kondensator

Wassergekühlter Kondensator

Gegenüber den Einspritzkondensatoren von Watt werden heute wassergekühlte Oberflächenkondensatoren in der Form des Rohrbündelwärmeübertragers oder Plattenwärmetauschers verwendet.

Hier wird das kalte Kühlwasser durch Rohre in den Abdampfraum geführt und der Abdampf kondensiert außen auf der Gegenseite an den Kühlrohren. Die Anzahl der Rohre in einem Kondensator kann sehr groß sein, so befinden sich in den Kondensatoren eines großen Kernkraftwerkes bis zu 20.000 Stück von je 10 m Länge. Für die Rohre ist eine Nennweite von 15 mm bis 30 mm typisch. Innerhalb des Kondensators wird während des Betriebes der Dampfturbine das Kühlwasser um 8 bis 10 °C erwärmt. Ein typisches Kernkraftwerk besitzt für eine Dampfturbine bis zu sechs solcher Kondensatoren, die jeweils mit bis zu 7 m³ Kühlwasser je Sekunde durchströmt werden. Ein derartiger Kondensator überträgt eine thermische Leistung von bis zu 700 Megawatt vom Abdampf der Turbine auf das Kühlwasser. Das im Kondensator zu erreichende Vakuum hängt im Wesentlichen von der Eintrittstemperatur des Kühlwassers sowie von der Qualität des Wärmeüberganges in den einzelnen Rohren ab und kann in sehr günstigen Fällen auf unter 40 mbar fallen.

In Kompressionskälteanlagen wird der „Verflüssiger“ hinter den Verdichtern oder hinter dem Austreiber und der Rektifikationskolonne von Absorptionskälteanlagen angeordnet. Das überhitzte Kältemittel wird in den Verflüssiger geleitet und durch den Wärmeübergang an ein Kühlmedium verflüssigt.

Eine Besonderheit dieser Oberflächenkondensatoren ist das Vorhandensein von so genannten Dampfgassen. Darunter versteht man Lücken in der Berohrung, durch die der Turbinenabdampf leichter in das Rohrbündel einströmen kann. An den Rändern der Dampfgassen liegen die Gassenrohre. Sie besitzen eine größere Wandstärke gegenüber den Normalrohren im Kondensator, da sie im besonderen Maße dem Tropfenschlag des mit hoher Geschwindigkeit einströmenden Nassdampfes ausgesetzt sind. Weiterhin sammelt sich im Kondensator die Luft, die in das Dampfsystem durch Dichtungen und nicht entgastes Speisewasser gerät. Besonders anfällig ist in diesem Zusammenhang die Labyrinthdichtung der Turbinenwelle. Die vom Dampf transportierte Luft konzentriert sich vorzugsweise im Lüftkühlerbereich und wird von dort ständig mit einer Vakuumpumpe abgesaugt.

In der Regel werden Kondensatoren mit Wasser gekühlt, das der Umgebung entnommen wird und mit seinen Verschmutzungen als Fouling die Funktion des Kondensators gefährden kann. Schon eine dünne Schmutzschicht in den Rohren des Kondensators hat erhebliche Auswirkungen auf den Gesamtwirkungsgrad eines Dampfkraftwerkes. Deshalb wird das Wasser zuvor über Filteranlagen gereinigt, die Feinverschmutzungen in den Rohren beseitigen während des Betriebes spezielle Schwammgummikugeln, die mit dem Taprogge-Verfahren in das Kühlwasser eingebracht und mit großen Sieben wieder entfernt werden.

Das Kühlwasser für die Kondensation wird, wenn dies möglich ist, direkt einem Fluss oder Gewässer entnommen und wieder zurückgeführt. Um die Kühlwassermengen und die Temperatur des zurückgegebenen Kühlwassers zu begrenzen, wird es auch in Rückkühlwerken (z. B. offener Kühlturm oder Trockenrückkühler) seinerseits wieder abgekühlt.

Luftgekühlte Kondensatoren bzw. Verflüssiger

Luftegkühlter Kondensator einer Klimaanlage

Steht am Standort des Kraftwerks kein Kühlwasser zur Verfügung, so wird anstelle eines wassergekühlten Kondensators ein Luftkondensator (engl. air cooled condenser) eingesetzt.

Der luftgekühlte Kondensator bzw. Verflüssiger besteht aus einem Rohrregister, über das ein Luftstrom mittels freier oder erzwungener Konvektion geführt wird. Die freie Konvektion wird allerdings nur bei Kleinkälteanlagen (Kühlschränke) genutzt. In der Regel werden Axiallüfter verwendet, die stehend (sogenannte Tischkühler) oder liegend angeordnet sind. Die Rohre des Verflüssigers sind auf der Luftseite mit Rippen versehen, um die wirksame Fläche für den Wärmeübergang zu vergrößern. Die Rippenlamellen bestehen meistens aus Aluminiumblech. Zur Optimierung werden drehzahlgeregelte Lüftermotoren eingesetzt, die über den Verflüssigerdruck geregelt werden.

Luftkondensatoren wurden unter anderem bei Dampflokomotiven verwendet, um ihren Verbrauch an Speisewasser zu vermindern (siehe Kondensationslokomotive). Hier begünstigte auch der Fahrtwind als natürliche Ventilation die Kühlung.

Verdunstungsverflüssiger

Der Verdunstungsverflüssiger hat ein Gehäuse, in dem ein Rohrregister eingebracht ist, das das Kältemittel aufnimmt. Von oben wird Wasser in das Gehäuse eingedüst. Unterhalb des Gehäuses sind Radiallüfter aufgestellt, die im Gegenstrom zu dem abfließenden Wasser Luft in das Gehäuse fördern. Es erfolgt ein lebhafter Wärmeaustausch zwischen der Rohroberfläche, dem aufsteigenden Luftstrom und den herabperlenden Wassertropfen. Die Luft wird mit Wasserdampf weitgehend gesättigt. Oberhalb des Verdunstungsverflüssigers steigt ein Luft-Nebel-Gemisch auf. Zur Abscheidung und Aufteilung der Flüssigkeitstropfen sind in dem Verflüssiger Einbauten einbezogen, die meistens aus Kunststoffformteilen bestehen.

Literatur

• Wolfgang Beitz, Karl-Heinz Küttner (Hrsg.): Dubbel - Taschenbuch für den Maschinenbau. Springer, 1990, ISBN 0387523812 (Kapitel K22: 4. Kondensation und Rückkühlung.).
• EN 378 Teil 1: Kälteanlagen und Wärmepumpen, Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen. Teil 1: Grundlegende Anforderungen, Definitionen, Klassifikationen und Auswahlkriterien. Deutsche Fassung EN 378-1: 2000.