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Aug 22, 2023

Dampf: Verluste minimieren, Energie sparen

Ob Sie Dampf als Lebensmittelzutat (kulinarisch) oder zum Kochen verwenden,

Unabhängig davon, ob Sie Dampf als Lebensmittelzutat (kulinarische Qualität) oder zum Kochen verwenden, ist die Einsparung angesichts der heutigen steigenden Erdgas- und Ölpreise nicht nur aus Sicht der Unternehmensnachhaltigkeit wichtig, sondern insbesondere im Hinblick auf das Endergebnis. Denken Sie heute, wo immer möglich, an die drei Rs – reduzieren, wiederverwenden und recyceln. Zum Beispiel Kondensat wiederverwenden und recyceln? Es ist bereits Wasser, es ist aufbereitet – und es ist heiß. Berücksichtigen Sie die Produktionskosten in BTU pro Pfund produzierter Lebensmittel oder pro Fass Bier. Wo und was sind die häufigsten Verluste an Dampfenergie?

„Dampfentlüftungssysteme sind der größte Energieverlustpunkt, können aber mit strategischen Lösungen effektiv gemanagt werden“, sagt Sam Simkowski, Prozessingenieur III bei Stellar. Ein richtig ausgewogenes Dampfsystem kann dazu beitragen, Energieverluste und Gesamtemissionen des Kessels zu reduzieren. Um dies zu erreichen, sollten Anlagen versuchen, die in die Atmosphäre abgegebene Dampfmenge zu minimieren oder ganz zu eliminieren. Anstatt Dampf abzulassen, können Anlagen Entspannungsdampf zurückgewinnen und recyceln, um den Anlagenbedarf zu decken, beispielsweise zum Erhitzen von Wasser in Verarbeitungsbereichen. Durch den Einbau von Wärmetauschern oder Kondensatoren können Anlagen die Energie des Entspannungsdampfes nutzen, was sich erheblich positiv auf die Gesamtkosten auswirken kann. Eine weitere Möglichkeit, Verluste durch Entlüftung zu vermeiden, besteht darin, einen Flash-Tank oder ein Kaskadensystem in ein Hochdruck-Dampfsystem zu integrieren. Diese Methode stellt eine Niederdruckdampfquelle bereit, die an anderer Stelle im Werk genutzt werden kann, fügt Simkowski hinzu.

Die Hauptquelle für Entspannungsdampf entsteht, wenn gesättigtes Kondensat auf einen niedrigeren Druck absinkt, sagt Jonathan Clark, PE, Maschinenbauingenieur bei CRB. Wenn das Dampfkondensat den Kondensatableiter des angeschlossenen Geräts passiert, führt der daraus resultierende Druckabfall am Kondensatableiter zur Bildung von Entspannungsdampf. Dies ist vollkommen nützlicher Dampf und wird in vielen Fällen als Dampfquelle für Geräte übersehen. Wenn die Betriebsbedingungen der Anlage dies zulassen, kann sie zurückgewonnen und an anderer Stelle verwendet werden, wenn es Benutzer gibt, die den Entspannungsdampf akzeptieren können.

Die wichtigste Erkenntnis, sagt Clark: „Nicht zurückgewonnener Flash-Dampf ist sowohl ein Energie- als auch ein Wasserverlust. Für jedes Pfund nicht zurückgewonnenen Flash-Dampf ist ein entsprechendes Pfund Zusatzwasser erforderlich. Der Ingenieur, der das Dampfsystem bewertet, kann dies bestimmen.“ Kosten dieser Verluste.“

„Der Dampfsystementwickler sollte die verfügbaren Kondensatströme für die Entspannungsdampfrückgewinnung bewerten“, fügt Clark hinzu. Zwischen den Kondensatströmen mit höherem und niedrigerem Druck kann ein Entspannungsdampfabscheider zur Rückgewinnung von Nutzdampf zur Verwendung in Heizanwendungen mit niedrigem Druck eingesetzt werden. Auch die Betriebseigenschaften der Entspannungsdampfrückgewinnung und des Niederdruckverbrauchers müssen berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass eine ausreichende und konstante Versorgung zur Verfügung steht.

Eine andere Methode zur Entspannungsdampfrückgewinnung besteht darin, Hochdruckkondensat auf einen niedrigeren Druck verdampfen und wiederverwenden zu lassen, sagt Gabriel Legorburu, PE, PhD, leitender Verfahrensingenieur bei der Dennis Group. Dieser Ansatz kann verwendet werden, wenn in einer Anlage mehrere Dampfdrücke herrschen. Stellen Sie sich beispielsweise eine Anwendung vor, bei der Hochdruckdampf verwendet wird, um Frittieröl auf 415 °F zu erhitzen. Das den Dampf-Öl-Wärmetauscher verlassende Kondensat könnte immer noch mehr als 200 PSIG haben. Idealerweise würde dieses Hochdruckkondensat in einem Behälter mit einem Gegendruckregler, der auf 200 PSIG oder weniger eingestellt ist, entspannt werden. Dann könnte der Dampf mit niedrigerem Druck für Geräte verwendet werden, die weniger Druck benötigen als die Fritteusen.

Die Massen- und Energiebilanz des Dampfsystems sollte alle Berechnungen des Dampfsystems umfassen. Mithilfe dieser Berechnungen werden die Betriebskosten des Dampfsystems aus einer Energieeinsatzanalyse zur Dampferzeugung ermittelt. Die Berechnungen zur Entspannungsdampfrückgewinnung als Teil der Massen- und Energiebilanz sind in der Veröffentlichung von Spirax Sarco „Design of Fluid Systems, Hook-Ups“ detailliert beschrieben, sagt Clark.

Ausgefallene Kondensatableiter verursachen unabhängig von der Fehlerart Probleme. Wenn sie versagen, verlieren sie Dampf und können – je nach Betrieb – Energieverschwendung im sechsstelligen Bereich verursachen – ganz zu schweigen davon, dass sich versagende Ableiter auf Druck und Effizienz auswirken. Geschlossene Fehler können die Wärmeproduktion stoppen und einen gefährlichen Druckanstieg bewirken. Ziehen Sie eine Untersuchung des Kondensatableiters durch einen qualifizierten Techniker in Betracht, um herauszufinden, wie viel Energie Sie möglicherweise verschwenden. (Siehe Seitenleiste „Dampfsystemuntersuchung kann Systemprobleme und Verschwendung aufdecken.“) Denken Sie auch über die Installation von Monitoren/Sensoren an Kondensatableitern nach, die Fehler erkennen und Bediener über Netzwerk oder drahtlose Kommunikation warnen können, wenn ein Fehler bevorsteht – oder aufgetreten ist geschah.

Kondensatableiter in Lebensmittelbetrieben befinden sich oft an abgelegenen Stellen, zum Beispiel über Köpfen und in Zwischenräumen oder an unauffälligen Stellen versteckt. Über ein externes Prüf- und Installationsunternehmen installierte Pulse Industrial, ein Anbieter einer Software-as-a-Service (SaaS)-Kondensatableiter-Überwachungslösung, seine Software und Kondensatableiter-Überwachungsgeräte für eine große Lebensmittelverarbeitungsanlage mit 193 Kondensatableitern. Einige davon waren für Prüfungszwecke schwierig zu prüfen. Während des Installationsprozesses lokalisierte und tauschte das Wirtschaftsprüfungsunternehmen einen defekten Kondensatableiter aus und sparte so zehntausende Dollar an verschwendeter Energie pro Jahr ein. Dieser Lebensmittelhersteller hatte kulinarische Dampf-, HVAC- und Wärmetauscheranwendungen im Einsatz.

Nach der Installation der Monitore und der SaaS-Software ist das Lebensmittelunternehmen auf dem Weg, sein Ziel zur Reduzierung von Energieverschwendung und CO2-Emissionen zu erreichen. Durch die Installation der Überwachungsausrüstung durch die Wirtschaftsprüfungsgesellschaft konnte der Verarbeiter auch die Größe, Art und Position der Fallen aufzeichnen, sodass sie bei einem Ausfall leicht lokalisiert werden können. Der Lebensmittelhersteller muss kein Personal mehr an gefährliche Orte schicken, um Fallen zu inspizieren; Stattdessen halten die drahtlosen Monitore den Betrieb und die Wartung aller Kondensatableiter in der Anlage auf dem neuesten Stand, wodurch manuelle Inspektionen vermieden werden und die Sicherheit der Arbeiter erhöht wird.

Eine vollständige Dampfuntersuchung einer Anlage sollte eine Bewertung folgender Punkte umfassen:

Eine physische Inspektion der Dampf- und Dampfkondensatsysteme sollte eine Routineaufgabe für das Wartungspersonal der Anlage sein. Eine äußere Sichtprüfung des Systems und des Betriebs kann die folgenden Probleme aufdecken: undichte Dichtungen, undichte Ventilschaftdichtungen, festsitzende offene Siphons, Integrität der Rohrleitungen, abnormaler Kesselbetrieb, offen gebliebene Ablasspunkte, Mängel bei der chemischen Behandlung und falsche Systemmodifikationen.

Bei der Überprüfung des Systemdesigns und der Sichtprüfung sollten auch das Anwendungsdesign, die ordnungsgemäße Verwendung von Dampfgeräten und das Design des Rohrleitungssystems berücksichtigt werden.

Typische Verluststellen bei Dampf und Dampfkondensat sind:

Ältere Lebensmittelbetriebe, die eine Vielzahl von Erweiterungen, Anlagenumbauten und Linienerweiterungen durchlaufen haben, können bei Systemuntersuchungen besondere Herausforderungen darstellen. Manchmal liegt der technische Entwurf für das Gesamtsystem nicht vor oder ist nicht aktuell. Es lohnt sich, die Masse- und Energiebilanz des Systems sowie die Systemzeichnungen aufrechtzuerhalten, um den aktuellen Zustand der Anlage widerzuspiegeln.

—Jonathan Clark, PE, Maschinenbauingenieur, CRB

Mit Kondensatrücklaufleitungen können Sie das bereits aufbereitete Wasser wiederverwenden. Diese Leitungen können jedoch problematisch sein und je nach Lage und Entfernung zurück zum Kesselspeisetank Energie verschwenden. In den meisten Anlagen enden diese Leitungen heutzutage meist im Überwachungsraum, was bedeutet, dass das Kondensat nach oben gepumpt werden muss und einen langen Weg zurück zum Vorratstank zurücklegen muss.

„Der Betrieb von Versorgungsleitungen im Zwischenraum ist ein wachsender Trend bei der Gestaltung neuer Anlagen, stellt jedoch einzigartige Herausforderungen für die Gesamtkonstruktion dar, da das Kondensat auf einer niedrigeren Höhe als die Hauptkondensatrücklaufleitung erzeugt wird“, sagt Simkowski von Stellar. „Prozessausrüstung auf der Prozessebene, die eine beträchtliche Menge Kondensat erzeugt, schafft Möglichkeiten, langfristige Kosteneinsparungen zu erzielen und die Gesamteffizienz des Kessels zu steigern. Eine Pumpe ist erforderlich, um die Druckhöhe zu überwinden, die mit der Beförderung des Kondensats in den Zwischenraum und dem Anschluss daran verbunden ist.“ die Hauptkondensatrücklaufleitung.“

„Über den Dampfverbrauchern installierte Dampf- und Dampfkondensatleitungen können bei der Rückführung des Kondensats von den Verbrauchern zurück zum Sammelrohr eine Herausforderung darstellen“, sagt Clark von CRB. „Ein häufiges Missverständnis, das in vielen Anlagen beobachtet werden kann, ist, dass ein Kondensatableiter bei einer vertikalen Steigleitungsrückführungsanwendung alles sei, was benötigt wird. Das ist nicht richtig. Um Dampfkondensat anzuheben, sollte entweder ein spezieller Pumpenableiter für die Anlage verwendet werden oder wenn mehrere Benutzer in einem Bereich vorhanden sind, in dem das Kondensat durch Schwerkraft zu einem gemeinsamen Sammelbehälter abfließen kann, kann in diesem Bereich ein gemeinsames Kondensatrückführungssystem installiert werden.“

„Da die Hauptkondensatrücklaufleitungen normalerweise zum Kessel hin geneigt sind, übernimmt die Schwerkraft die Oberhand“, fügt Simkowski von Stellar hinzu. Gegebenenfalls kann Kondensat aus demselben oder einem ähnlichen Gerät zur Optimierung des Designs häufig eine gemeinsame Kondensatpumpe nutzen. Der Betrieb der Anlage erfordert mit dieser Lösung weniger Energie. Darüber hinaus trägt dieser Ansatz dazu bei, den Umfang der erforderlichen Rohrleitungen und Geräte zu minimieren und die Installationskosten zu senken, was zu weiteren Einsparungen führt.

„Anwendungen mit gemeinsamen Kondensatrückführungssystemen erfordern häufig einen offenen Sammelbehälter, wenn Kondensat mit unterschiedlichen Temperaturen in den Sammelbehälter gelangt“, sagt Clark. In diesem Szenario wird das Kondensat häufig mithilfe elektrischer Rückförderpumpen oder antriebsdruckbetriebener Pumpen zurückgeführt. Antriebsdruckbetriebene Pumpen können entweder Dampf oder Druckluft als Antriebsdruck zur Rückführung des Kondensats nutzen. Elektrische Zentrifugal-Kondensatrückführpumpen unterliegen bei der Verwendung in allen anderen Systemen als Niederdruckdampfsystemen mehreren Einschränkungen. Die Hersteller dieser Pumpen erläutern diese Einschränkungen in ihren Anwendungsbulletins. Die Haupteinschränkungen liegen jedoch in der maximalen Temperaturbelastbarkeit und dem Kavitationspotenzial. Der Typ der verwendeten Kondensatrückführungspumpe sollte sorgfältig auf die Kondensatströme abgestimmt werden, die in den Empfänger gelangen.

Clark fügt hinzu, dass der Standort der Kessel an den Dampfverbrauchern so nah wie möglich gehalten werden sollte, um die Gesamtverrohrung des Systems zu reduzieren. Lange Rohrleitungsstrecken erfordern mehr Tropfenfänger im Leitungsnetz, was zu geringen Entspannungsdampfverlusten führt. Treibende Kondensatrücklaufpumpen, die Dampf als Antriebskraft verwenden, sollten mit dem vom Hersteller empfohlenen Druck über dem Druck des Rücklaufsammlers arbeiten, um Dampfverschwendung zu minimieren. Vermeiden Sie die Rückführung eingeschlossener Kondensatleitungen in gepumpte Rücklaufverteiler, da dies zu Funktionsproblemen mit der Falle führen kann.

„Clayton empfiehlt, Effizienzstudien mit Blick auf den Kessel selbst zu beginnen“, sagt James Adgey, Thermovertrieb bei Clayton Industries. „Ein alternder oder schlecht konstruierter Kessel, der unter Effizienzverlusten leidet, ist ein Hauptverdächtiger in jedem leistungsschwachen Dampfsystem, und Wärmeverluste aus dem Kesselgehäuse können ebenfalls dazu beitragen. Während verschiedene Unternehmen möglicherweise unterschiedliche Namen verwenden, bezeichnet Clayton diese Umfrage als „Dampf“. „Lastprofil“, das die Betriebsdaten Ihrer Anlage in eine einfache Zusammenfassung der Leistung Ihres Kessels umwandelt und eine Vorstellung von Bereichen mit Verlusten und potenziellen Verbesserungen erhält. Weitere Überlegungen sollten Wärmetauschern und Dampfleitungen gewidmet werden und Kondensatableiter für mögliche Wärmeverluste, da sie auch dafür verantwortlich sein können“, sagt Adgey. Es wird außerdem empfohlen, die Chemikalienprotokolle und die Behandlung zu überprüfen, um festzustellen, ob es mögliche Probleme mit der Ablagerung gibt.

„Die Kesselabschlämmung ist ein notwendiges Betriebsmerkmal jedes befeuerten Kessels“, sagt Clark von CRB. Die Optimierung der chemischen Aufbereitung und die Wartung des Kessels wirken sich direkt auf die Häufigkeit der Kesselabschlämmung aus. Wasseraufbereitungsunternehmen, die sich auf die Kesselaufbereitung spezialisiert haben, können das Wassersystem hinsichtlich des optimalen chemischen Aufbereitungsplans bewerten, um die Abschlämmung auf ein Minimum zu reduzieren und gleichzeitig die Kesselverschmutzung zu reduzieren.

Im Allgemeinen ist es in jeder Anlage eine gute Idee, Dampferzeuger näher am Anwendungspunkt zu platzieren, da eine kürzere Rohrstrecke zu weniger Verlusten und einer kostengünstigeren Installation führt und den zusätzlichen Vorteil einer kürzeren Wartezeit bis zum Beginn der Produktion mit sich bringt einfache Tatsache, dass der Dampf eine kürzere Distanz zurücklegen muss, sagt Adgey von Clayton. „Ihre Installation eignet sich möglicherweise sogar dafür, kleine Generatoren überall in Ihrer Anlage an den Verbrauchspunkten zu platzieren, anstatt sie alle an einem zentralen Ort aufzubewahren, aber das wäre umständlich.“

„In jeder Anlage muss das Dampfsystem die Anforderungen von 21CFR173.310 und 40CFR Teile 141, 142 und 143 für die direkte Injektion in Lebensmittel für den menschlichen Verzehr erfüllen“, sagt Clark. Wenn bestehende oder geplante Kessel diese Anforderungen nicht erfüllen, muss eine Kapitalbewertung der Nachrüstung eines bestehenden Systems für die Lebensmittelnutzung oder der Installation eines speziellen lebensmittelechten Kessels für die Anwendung durchgeführt werden.

Hygienischer oder sauberer Dampf wird typischerweise entweder mit einem elektrischen Hygienedampferzeuger oder einem Dampf-zu-Dampf-Wärmetauscher erzeugt, wenn die Betriebseigenschaften des Systems dies zulassen, fügt Clark hinzu. In jedem Szenario sollte eine Bewertung der Kapital- und Betriebskosten beider Systeme durchgeführt werden, um die Entscheidung für den zu verwendenden Typ zu erleichtern.

„Im Hinblick auf eine kulinarische Einrichtung ist die Verwendung von Nutzdampf immer dann eine gute Option, wenn Ihr Dampf nicht in direkten Kontakt mit Ihrem Produkt kommt, da Nutzdampf nicht den gleichen Grad an chemischer Behandlung und Filterung erfordert ist daher kostengünstiger in der Herstellung“, sagt Adgey. „Abhängig von der Größe und dem Produktionsniveau Ihrer Anlage müsste jedoch ermittelt werden, ob es sich lohnt, zwei separate Dampfqualitäten zu erzeugen oder einen Dampf-zu-Dampf-Generator einzubauen.“

Elektrischer oder fossiler Brennstoff für Dampfkessel?

Während Erdgas nach wie vor die vorherrschende Wahl für Dampfkessel und Generatoren ist, scheinen elektrisch betriebene Dampferzeuger gegenüber Erdgas mehrere Vorteile zu haben. Sie setzen beispielsweise kein CO2 oder andere Gase frei (kein CO2-Fußabdruck), erreichen eine nahezu 100-prozentige Umwandlungseffizienz und erfordern nur minimale Wartung, da weitaus weniger Teile und zugehörige Geräte (z. B. Luftgebläse) gewartet werden müssen, und sie würden scheinbar auch weniger haben Ausfallzeit.

In einem Chromalox-Whitepaper mit dem Titel „Erleben Sie niedrigere Gesamtbetriebskosten mit einem elektrischen Dampferzeuger“ vergleicht der Autor die relativen Betriebskosten eines 10-MBtu/h (2.931 kW)-Kessels, der mit Strom, Erdgas und Öl betrieben wird . Er gab zwar nicht den zum Vergleich herangezogenen Stromtarif an, deutete jedoch an, dass die Stromkosten doppelt so hoch sein würden wie bei vergleichbarem Erdgas, die Gesamtbetriebskosten (TCO) jedoch weniger als halb so hoch wären wie bei einem Erdgasdampf Heizkessel – und bei einer Lebensdauer von 20 Jahren hätte der Elektrokessel immer noch weniger als die Hälfte der Gesamtbetriebskosten von Erdgas.

Ohne einen Vergleich der tatsächlichen Energietarife könnten diese Gesamtbetriebskosten natürlich ein bewegliches Ziel auf den heutigen Energiemärkten sein. Da die Erdgas- und Ölpreise in die Höhe schießen, müssen die Stromversorger diese Kosten zwangsläufig weitergeben. Auch wenn der TCO-Vergleich des Autors über 20 Jahre für Strom immer noch geringer ist – wie hoch sind die tatsächlichen Kosten für die Hochspannungsversorgung am Kesselstandort, insbesondere wenn keine Hochspannungsversorgung verfügbar ist? Auch wenn der Strom ausfällt, ist der elektrische Dampfkessel außer Betrieb.

„Verarbeiter sollten ihre vorhandene Ausrüstung bewerten, um festzustellen, ob sie effizient betrieben wird“, sagt Clark. „Stellen Sie sicher, dass die Systemsollwerte nicht geändert wurden, um schlechte Wartungspraktiken oder betriebliche Ineffizienzen zu berücksichtigen. Bewerten Sie die langfristigen Betriebskosten der Reduzierung des Flash-Dampfes auf den anfänglichen Kapitalbedarf der hinzugefügten Ausrüstung. Wenn keine vergleichende Analyse bereitgestellt wurde Bitten Sie jemanden um Unterstützung bei der Geschäftsszenario für Kapitalverbesserungen.

Kraftwerke sollten ein vorbeugendes oder vorausschauendes Wartungsprogramm für ihre Dampfsysteme einführen, sagt Simkowski von Stellar. Wenn die Komponenten des Systems – Ableiter, Ventile, Kondensatoren, Wärmetauscher und Spulen, um nur einige zu nennen – nicht ordnungsgemäß funktionieren, verringert sich die Zuverlässigkeit und Effizienz des Systems.

Investieren Sie im Falle einer Neuinstallation in hocheffiziente Geräte mit nachweislicher Qualität, sagt Adgey. Während dies mit höheren Anschaffungskosten verbunden ist, minimiert ein System mit sogar einem etwas höheren Wirkungsgrad nicht nur Ihre Verluste, sondern kann auch eine Kapitalrendite erzielen, die um ein Vielfaches höher ist als Ihre Installationskosten, manchmal schon im ersten Jahr. Um die Qualität eines Produkts sicherzustellen, bitten Sie Ihre Lieferanten, eine praxisnahe Aufschlüsselung seiner Effizienz und seines potenziellen ROI bereitzustellen, die auf die Anforderungen Ihrer Anlage zugeschnitten ist. Geben Sie sich nicht mit einer vagen und idealisierten Beschreibung zufrieden, denn Ihre Pflanze wird alles andere als das sein.

„Ein letzter zu berücksichtigender Punkt ist die Isolierung“, sagt Adgey. Dampfleitungen und Wärmetauscher können im Hinblick auf den Strahlungswärmeverlust problematisch sein. Daher wird immer empfohlen, die Leitungen isoliert zu halten und die Regelmäßigkeit der Bereiche zu überprüfen, die ausgetauscht werden sollten.

„Was ist die LoRaWAN-Spezifikation“, LoRa Alliance, https://lora-alliance.org/about-lorawan

„Erleben Sie niedrigere Gesamtbetriebskosten mit einem elektrischen Dampferzeuger“, Mark Wheeler, Director of Systems & Service, Chromalox Inc. (2. März 2020).

„Die Sterilisation trockener Lebensmittel mit Volldampf vorantreiben“, FE, „Engineering R&D“, 13. Mai 2013

„Erwägen Sie zellulare drahtlose Netzwerke für heutige IIoT-Systeme“, FE, 28. September 2022