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Inhalt - Was ist Trockendampf?
 
 
 

Die physikalischen Grundlagen des Dampfes
Wir alle wissen was geschieht, wenn in der Küche im Teekessel das Wasser zu kochen beginnt: Dampf tritt aus der Tülle und wenn der Deckel nicht fest sitzt, springt er auf und ab. Was hat sich im Kessel zwischen dem Einfüllen des kalten Wassers und dem Entweichen des Dampfes aus der Tülle abgespielt?

Kessel

Im gleichen Augenblick, in dem der Kessel mit dem kalten Wasser auf die Heizquelle gestellt wurde, hat die Wärme begonnen, sich einen Weg durch das Metall des Kessels in das Wasser hinein zu verschaffen. Die ständige Wärmezufuhr hat das Wasser immer wärmer werden lassen, bis es schließlich zu kochen begann. Sobald das Kochen einsetzte, hatte das Wasser einen Zustand erreicht, in dem es weitere Wärme nicht mehr ohne Veränderungen aufnehmen konnte. Da der Kessel sich jedoch noch auf der Heizquelle befand, gelangte auch weiterhin Wärme an das Wasser. Was geschah?

Eine Änderung bahnte sich im Wasser an: Die überschüssige Wärme, die sich Zutritt zum Wasser verschaffte, verwandelte einen Teil des Wassers in Wasserdampf. Der entweichende Wasserdampf führte die überschüssige Wärme ab. Solcher Wasserdampf ist gemeint, wenn im Folgenden wie in der Praxis kurz von "Dampf" gesprochen wird.

Ließen wir den Kessel auf der Heizquelle stehen, so würde immer mehr Wasser durch die einströmende Wärme verdampfen, bis schließlich das gesamte Wasser in Dampf verwandelt wäre.

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Gründe für die Verwendung von Dampf
Warum verwenden wir Dampf zum Kochen von Marmelade, zum Sterilisieren von Operationsbesteck, zum Vulkanisieren von Autoreifen, zum Erwärmen von Waschwasser in Wäschereien, zum Kochen von Konserven, bei der Erzeugung von Benzin aus Rohöl, zum Antrieb von Turbinen und Pumpen, zur Bewerkstelligung unzähliger Vorgänge in allen Zweigen der Industrie? Warum gerade Dampf? Warum ist die Verwendung von Dampf in der zivilisierten Welt zu einem Gemeingut geworden?

Der Grund hierfür ist, dass ein allgemeiner Bedarf an Wärmeenergie besteht und dass der Dampf ein besonders geeignetes wirtschaftliches Mittel zur Übertragung größerer Energiemengen von einer Stelle zu einer anderen darstellt. Dampf lässt sich leicht herstellen, dies zudem noch aus Wasser, das auf der Erde reichlich verfügbar ist. Dampf ist bequem zu handhaben und ist ein wirklich vielseitiges Hilfsmittel.

Zur Durchführung eines einfachen Versuchs über die im Dampf enthaltene Energie wollen wir uns wieder dem Teekessel zuwenden. Zunächst soll der Dampf auf seine Temperatur untersucht werden. Wenn wir ein Thermometer in das kochende Wasser und ein anderes Thermometer in den Dampf an der Mündung der Tülle stecken, stellen wir fest, dass beide Thermometer die gleiche Temperatur anzeigen, d.h. der Dampf ist ebenso heiß wie das kochende Wasser (etwa 100°C).

Und nun prüfen wir den Dampf auf sein Arbeitsvermögen: Wir stellen fest, dass der Kesseldeckel sich auf und ab bewegt. Das Arbeitsvermögen, die mechanische Energie des Dampfes ist die Ursache für diese Bewegungen des Deckels.

 

Wird in einer Kessel- oder Durchlaufanlage Trockendampf erzeugt, so treten fast die gleichen Vorgänge auf wie beim beschriebenen Teekessel. Der wichtigste Unterschied zwischen den beiden besteht darin, dass der Teekessel eine Tülle hat und sich kein großer Druck aufbauen kann.

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Die wichtigsten Maßeinheiten des "SI-Systems"
Zunächst wollen wir Sie mit dem seit 01.01.1978 verbindlich gültigen Maßsystem, dem "SI-System", und mit einigen Fachausdrücken vertraut machen. Dies ist nicht nur zum allgemeinen Verständnis notwendig, sondern auch zur Verständigung mit Ihren Gesprächspartnern beim Bau, Umbau oder bei der Instandsetzung Ihrer Anlage.

Kessel

Wir werden in den folgenden Ausführungen nur noch mit den Maßeinheiten des SI-Systems arbeiten und die des alten "verbotenen" technischen Maßsystems nicht mehr verwenden. Umrechnungen neues/altes Maßsystem geben wir nur in der folgenden kurzen Erklärung.

Tabelle

Die in unserem technischen Fachbereich wichtigsten Größen sind Kraft, Druck, Energie und Wärme, Leistung und Wärmestrom sowie Temperatur.

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Die Kraft
Der Zusammenhang zwischen Masse und Kraft ergibt sich aus dem Newton’schen Grundgesetz (Fallgesetz):

Kraft = Masse x Beschleunigung (F = m • a)

Die Kraft ergibt sich im SI-System als abgeleitete Größe: 1 kgm/s² = 1 kg • 1 m/s², wobei die abgeleitete Einheit kgm/s² den besonderen Namen „Newton“ (Einheitenzeichen N) erhielt. 1 N = 1 kgm/s². Durch 1 kp = 1 kg • 9,80665 m/s² = 9,80665 kgm/s² ergibt sich der Zusammenhang zwischen Newton und dem alten Kilopond zu 1 kp = 9,80665 N und 1 N = 0,10197 kp. Für die meisten technischen Anwendungen ist die Umrechnung schon genau genug wenn man schreibt: 1 kp = 9,81 N bzw. 1 N = 0,102 kp. Nimmt man einen Fehler von 2% in Kauf, dann gilt sogar 1 kp ≈ 10 N.

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Der Druck
Für den Druck gilt die Beziehung:

Druck = Kraft durch Fläche (p = F/A)

In der Thermodynamik ist für den Druck früher die Einheit 1 kp/cm² = 1 at des technischen Maßsystems vorherrschend gewesen. Die abgeleitete SI-Einheit für den Druck ist N/m², die den besonderen Namen "Pascal" (Einheitenzeichen Pa) erhielt.

1 Pa = 1 N/m².

Durch die Beziehung 1 kp = 9,80665 N ergibt sich die Umrechnung des technischen Maßsystems in die SI-Einheiten für den Druck zu 1 at = 1 kp/cm² = 98066,5 N/m² = 98066,5 Pa bzw. 1 Pa = 1 N/m² = 0,102 • 10 kp/cm² = 0,102 • 10-4 at. Um diese für die Thermodynamik relativ großen Zahlenwerte zu vermeiden, wurde für die abgeleitete SI-Einheit 105 N/m² der besondere Name „Bar“ (Einheitenzeichen bar) eingeführt, 1 bar = 105 N/m² = 105 Pa.

Diese Einheit hat den Vorzug, dass sie zahlenmäßig etwa mit der bisher verwendeten Einheit Atmosphäre (at) übereinstimmt.

Durch die Umrechnung von 1 kp = 9,80665 N ergibt sich 1 at = 1 kp/cm² = 98066,5 N/m² = 0,980665 bar bzw. 1 bar = 105 N/m² = 1,02 kp/cm² = 1,02 at.

Nimmt man 2% Fehler in Kauf, dann gilt sogar 1 at = 1 kp/cm² ≈ 1 bar.

Häufig wird der Druck als Druckdifferenz zum herrschenden Umgebungsluftdruck, dem Bezugsdruck, angegeben, weil nur dieser Differenzdruck mit dem Manometer unmittelbar gemessen werden kann. Dieser Differenzdruck wird angegeben als Überdruck pe oder als Unterdruck pu zum Bezugsdruck.
Zur Vermeidung von Verwechslungen ist dann zu schreiben:

Absoluter Druck = 1 bar oder pabs = 1 bar,
Überdruck = 1 bar oder pe = 1 bar,
Unterdruck = 0,2 bar oder pu = 0,2 bar,
Druckdifferenz = 1 bar oder Δp = 1 bar.

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Energie, Arbeit, Wärmemenge
Für die Arbeit gilt die Beziehung:

Arbeit = Kraft x Weg (W = F • s)

Im technischen Maßsystem war die Einheit kpm gebräuchlich: 1 kpm = 1 kp • 1 m. Die abgeleitete SI-Einheit für die Energie, Arbeit und Wärmemenge ist Nm, die den besonderen Namen „Joule“ (Einheitenzeichen J) erhielt. 1 J = 1 Nm = 1 Ws

Durch die Umrechnung von 1 kp = 9,80665 N ergibt sich: 1 kpm = 9,80665 Nm = 9,80665 J bzw. 1 J = 1 Nm = 0,102 kpm. Nimmt man 2% Fehler in Kauf, dann gilt sogar: 1 kpm ≈ 10 Nm = 10 J.

Das mechanische Wärmeäquivalent besagt, dass die Wärmemenge von 1 kcal ungefähr der Energie oder mechanischen Arbeit von 427 kpm entspricht. 1 kcal ≈ 427 kpm. Die Verwendung des mechanischen Wärmeäquivalents ist im SI-System überflüssig, da Arbeit, Energie und Wärmemenge in der gleichen Einheit (J) gemessen werden. Durch entsprechende Umrechnung ergibt sich mit hinreichender Genauigkeit:
1 kcal ≈ 427 kpm ≈ 4200 J = 4,2 kJ bzw.
1 J ≈ 0,102 kpm ≈ 2,39 • 10–4 kcal, 1 kJ ≈ 0,239 kcal
und weiter:
1 kcal ≈ 4200 Ws = 11,6 • 10-4 kWh bzw.
1 kWh = 3,6 MWs ≈ 860 kcal.

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Leistung, Energiestrom, Wärmestrom
Für die Leistung gilt die Beziehung:

Leistung = Arbeit je Zeiteinheit (P = W/t)

Im technischen Maßsystem war die Einheit kpm/s gebräuchlich, weiterhin die Pferdestärke (PS)

1 kpm/s = 1 kpm / 1 s (1 PS = 75 kpm/s)

Die abgeleitete SI-Einheit für die Leistung, den Energiestrom und den Wärmestrom ist J/s mit dem besonderen Namen "Watt" (Einheitenzeichen W). 1 W = 1 J/s = 1 Nm/s.
Durch die Umrechnung von 1 kp = 9,80665 N und durch das mechanische Wärmeäquivalent ergibt sich mit hinreichender Genauigkeit:
1 kcal/h ≈ 1,58 • 10-3 PS ≈ 1,16 W
1 W ≈ 1,36 • 10-3 PS ≈ 0,860 kcal/h
1 PS ≈ 632 kcal/h ≈ 736 W
1 PS ≈ 0,736 kW

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Dichte und spezifisches Gewicht

Für die Dichte gilt die Beziehung:

Dichte = Masse durch Volumen (ρ = m/V)

Das spezifische Gewicht (auch Wichte genannt) ist definiert als
spez. Gewicht = Gewicht durch Volumen (γ = G/V)

Früher wurde bei Verwendung des technischen Maßsystems das spezifische Gewicht γ bevorzugt und in kp/m³ angegeben. Diese Bezeichnung darf nicht mehr verwendet werden. Es ist hierfür die im SI gebräuchliche Dichte zu verwenden, welche in der Einheit kg/m³ angegeben wird. Durch die Beziehung 1 kp = 1 kg • 9,80665 m/s² stimmt der Zahlenwert für die Dichte ρ eines Stoffes überein mit dem Zahlenwert für die mit der Normalfallbeschleunigung γ = 9,80665 m/s² bestimmte Wichte γ dieses Stoffes.

Die Dichte 1000 kg/m³ = 1 kg/dm³ = 1 g/cm³ entspricht der Wichte 1000 kp/m³ = 1 kp/dm³ = 1 p/cm³.

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Temperatur

Temperatur
Die thermodynamische Temperatur (T, ϑ) ist die Basisgröße des SI mit der Basiseinheit Kelvin (Einheitenzeichen K). Der Zahlenwert für die Temperaturdifferenz in Grad Celsius ist identisch mit dem Zahlenwert der Temperaturdifferenz in Kelvin. Die Einheit Grad Celsius (°C) ist keine Basiseinheit des SI-Systems, darf aber weiter angewendet werden. Die Celsius-Temperatur steht zur thermodynamischen Temperatur in folgender Beziehung:
t = T – Tn (Tn = 273,15 K).

Hierbei ist Tn die Normtemperatur bezogen auf den absoluten Nullpunkt der Thermodynamik (0 K). Er liegt auf der Celsius-Skala bei –273,15 °C. Es gilt also:
0 K = –273,15 °C bzw. 0 °C = 273,15 K

Beispiel für T = 373,15 K:
t = 373,15 K – 273,15 K = +100 °C.

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Temperaturdifferenzen
Früher wurden Temperaturdifferenzen in der Einheit Grad (Einheitenzeichen grd) angegeben. Dieses ist nicht mehr zulässig. Temperaturdifferenzen müssen in Kelvin (K) ausgedrückt werden, z. B.:

T1 – T2 = ΔT = 500 K – 450 K = 50 K
t1 – t2 = Δt = 100 °C – 50 °C = 50 K

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Der Normzustand; das Normvolumen
Der Normzustand ist nach DIN 1343 ein durch Normtemperatur und Normdruck festgelegter Zustand eines festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffes. Er ist definiert durch die Normtemperatur Tn = 273,15 K bzw. tn = 0°C und den Normdruck pn = 101325 Pa = 1,01325 bar (früher 1 atm). Dieser aus der bisherigen physikalischen Atmosphäre (atm) hergeleitete Normzustand ist zu unterscheiden vom "technischen" Normzustand, welcher sich aus der bisherigen technischen Atmosphäre (at) herleitet. Der technische Normzustand ist definiert durch die Normtemperatur Tn = 293,15 K bzw. tn = +20°C und den Normdruck pn = 98066,5 Pa = 0,980665 bar (früher 1 at). Der aus der früheren physikalischen Atmosphäre hergeleitete Normzustand ist maßgeblich für die Definition des Normvolumens. Das Normvolumen Vn ist nach DIN 1343 das Volumen im Normzustand bei Tn = 273,15 K bzw. tn = 0°C und pn = 101325 Pa = 1,01325 bar (früher 1 atm). Das stoffmengenbezogene (molare) Normvolumen des idealen Gases ist Vmn = 22,414 m³/kmol. Das Normvolumen ist also keine Einheit, sondern eine spezielle Größe, die z. B. in m³ zu messen ist. Es ist nicht statthaft, die früher oft benutzten Einheitenzeichen wie z. B. Nm³ mit ihren Bezeichnungen wie "Normkubikmeter" zu verwenden. Denn einerseits kann sich eine Einheit wie z. B. m³ nicht im Normzustand befinden und zum anderen ist der Buchstabe N als Einheitenzeichen für die Krafteinheit Newton festgelegt. Es wird empfohlen, folgende Schreibweise anzuwenden (Beispiele):

Volumen des Gases im Normzustand:
V = 1 m³ oder
Vn = 1 m³ oder
V = 1 m³ (0 °C, 1,01325 bar, trocken)

Das Volumen von 1 m³ eines trockenen Gases im Normzustand entspricht der Gasmenge von 26,9 • 1024 Molekülen.

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Die wichtigsten Einheiten und ihre Umrechnung

Tabelle

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Die Wärmeenergie
Die Wärmeenergie wird in Kilojoule (kJ) angegeben. Die spezifische Wärme des Wassers cp beträgt nach dem SI-System
cp = 4,1868 kJ/kg K, abgerundet:

cp = 4,2 kJ/kg K

Das heißt: ≈ 4,2 kJ sind nötig, um ein Kilogramm (1 kg) Wasser um ein Grad (1 K) in der Temperatur zu erwärmen. Früher wurde diese Wärmemenge als eine Kilokalorie (1 kcal) bezeichnet. Für Umrechnungen von alten in neue Wärmeeinheiten gilt also 1 kcal = 4,1868 kJ abgerundet, allgemein:

1 kcal = 4,2 kJ

Wir werden im weiteren Verlauf nur mit den gesetzlich vorgeschriebenen SI-Einheiten arbeiten, auf älteren Wärmeerzeugern findet man jedoch noch die alte Einheit kcal. Um uns mit der Wärmeenergie vertraut zu machen, unternehmen wir einen einfachen Versuch. Wir stellen einen Topf mit genau 1 kg Wasser auf die Heizquelle und führen so Wärme zu. Die Temperatur des Wassers messen wir mit einem Thermometer. Wenn die Temperatur des Wassers von 20°C auf 40°C, d. h. um 20 K (20 Grad) gestiegen ist, haben wir an Wärme zugeführt

20 • 4,2 = 84 kJ

Wenn wir 5 kg Wasser um 5 K, also z. B. von 20°C auf 25°C erwärmen, haben wir folgende Wärmeenergie zugeführt:

Menge   spezifische Wärme   Erwärmung  
5 kg 4,2 kJ/kg K 5 K = 105 kJ

Q = m ∙ cp ∙ ΔT

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Wärmeinhalt des Wassers
Wieviel Wärme steckt nun z. B. in den 200 kg Wasser in unserer Badewanne, wenn das Wasser 40°C hat? Sind es die 200 • 25 • 4,2 = 21000 kJ, die der Gasdurchlauferhitzer an das Wasser abgegeben hat, um es von der Zulauftemperatur von 15°C auf 40°C zu erwärmen? Wenn im Winter die Temperatur des Kaltwassers nur 10°C beträgt, muss der Badeofen doch 200 • 30 • 4,2 = 25200 kJ aufbringen, um das gleiche Ergebnis zu erreichen, nämlich 200 kg Wasser von 40°C.
Will man zu einer einheitlichen Aussage - Wärmeinhalt - über den gleichen Sachverhalt - 200 kg Wasser von 40°C - kommen, so muss man sich darüber einigen, bei welcher Wassertemperatur man mit der Messung der hineingesteckten Wärmemenge beginnt.
Da Wasser unterhalb 0°C gefriert, hat man vereinbart, mit der Messung des Wärmeinhalts des (flüssigen) Wassers bei 0°C zu beginnen. Um 1 kg Wasser von 0°C auf 50°C zu erwärmen, sind nach der Festlegung des Kilojoule 50 • 4,2 = 210 kJ nötig; der Wärmeinhalt von 1 kg Wasser von 50°C beträgt daher nach der eben genannten Vereinbarung 210 kJ. Wasser von 90°C hat einen Wärmeinhalt von 378 kJ/kg (Kilojoule je Kilogramm). Und in der Beurteilung des Badewassers kommen wir nun alle zu der gleichen Aussage: 200 kg Wasser von 40°C haben einen Wärmeinhalt von 200 • 40 • 4,2 = 33600 kJ.
Nach dieser Vereinbarung hat auch in die Wanne laufendes Wasser von 10°C bereits einen Wärmeinhalt von 42 kJ je kg Wasser. Diese Wärmeenergie wurde z. B. von Sonne und Erdboden in das Schmelzwasser gesteckt, bis daraus 10°C "warmes" Wasser wurde. Da wir diesen Wärmeinhalt aber meist nicht ausnützen können, interessiert er uns hier so wenig wie die Wärmeenergie, die genau genommen auch bei Temperaturen unterhalb 0°C in allen Stoffen steckt.

Wiederholen wir: Bei der Berechnung des Wärmeinhalts wird stets von 0°C ausgegangen.

Was Sie soeben gelesen haben, kann auch als erste Lektion über wirtschaftliche Brennstoffverwendung betrachtet werden. Wenn Sie Kohle, Öl oder irgendeinen anderen Brennstoff verfeuern, um einen Stoff zu erwärmen, so werden Sie um so weniger Brennstoff benötigen, je wärmer dieser Stoff zu Anfang ist: Dem mit 10°C zulaufenden Wasser mussten 25200 kJ zugeführt werden, um die gewünschte Badetemperatur zu erreichen, während für das mit 15°C ankommende Wasser nur 21000 kJ nötig waren.
Wir wollen uns stets bewusst bleiben, dass die wirtschaftliche, d. h. sparsame Verwendung der Wärmeenergie eine Hauptaufgabe der Wärmetechnik ist. Unsere Betrachtungen werden deshalb immer wieder zum Thema Energieeinsparung zurückkehren.
Doch jetzt geht's einen Schritt weiter: Wir heizen einen Dampfkessel, bis das Wasser zu sieden beginnt. Was geschieht nun?

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Verdampfungswärme
Das kochende Wasser hat eine Temperatur von 100°C, und es wird weitere Wärme von der Feuerung zugeführt. Diese Wärme verwandelt Wasser in Dampf. Vorläufig wollen wir annehmen, dass unser Dampfkessel eine Öffnung hat wie etwa die Tülle beim Teekessel und dass der im Kessel erzeugte Dampf durch diese Öffnung austreten kann. Unter diesen Umständen kann das Wasser nicht über 100°C hinaus erhitzt werden, auch wenn immer mehr Wärme von der Feuerung auf das Wasser übertragen wird. Den Grund hierfür werden wir noch erklären. Die sozusagen überschüssige Wärme verwandelt jedoch einen Teil des Wassers in Dampf; ein Teil des Wassers ändert also, wie man sagt, seinen "Zustand". Am Teekessel hatten wir mit Hilfe der Thermometer bereits festgestellt, dass der Dampf die gleiche Temperatur hat wie das kochende Wasser.

Graph

Die Wärmeenergie, die lediglich Wasser verdampft ohne die Temperatur zu erhöhen, wird als "Verdampfungswärme" bezeichnet. Auf den Dampfkessel angewandt bedeutet dies, dass die zusätzliche Wärme, die nach Einsetzen des Siedens des Wassers noch zugeführt wird und Wasser in Dampf verwandelt, im Dampf als Verdampfungswärme enthalten ist. Die Verdampfungswärme wird, wie auch jede andere Wärmemenge, in kJ angegeben.

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Wärmeinhalt des Dampfes
Anfangs wurde gesagt, dass Dampf ein guter Träger für Wärmeenergie sei. Das wollen wir nun näher untersuchen. Wir haben festgestellt, dass der im Dampfkessel erzeugte Dampf Wärmeenergie in zwei Stufen aufgenommen hat: Wasserwärme bei der Erwärmung des Wassers bis zum Sieden und Verdampfungswärme bei der Verdampfung des Wassers. Der gesamte Wärmeinhalt des Dampfes setzt sich also zusammen aus dem Wärmeinhalt des siedenden Wassers und der Verdampfungswärme. Misst man genau nach, so zeigt sich, dass zur Erwärmung von 1 kg Wasser von 0°C auf 100°C rund 417,5 kJ erforderlich sind; um dieses Kilogramm siedendes Wasser bei 100°C zu verdampfen, müssen aber weitere 2257,9 kJ zugeführt werden. Die Verdampfungswärme ist also sehr viel größer als der Wärmeinhalt des Wassers gleicher Temperatur.

Balken

In jedem kg Dampf, der hier eine Temperatur von 100°C hat, stecken 417,5 kJ Flüssigkeitswärme und 2257,9 kJ Verdampfungswärme; der gesamte Wärmeinhalt des Dampfes von 100°C beträgt somit 2675,4 kJ. Bei jeder beliebigen Dampfmenge finden wir bei dieser Temperatur das gleiche Verhältnis vor. Wenn wir z.B. anstelle von 1 kg eine Dampfmenge von 100 kg betrachten, so brauchen wir lediglich die zuvor genannten Zahlen mit 100 zu multiplizieren: 100 kg Dampf von 100°C haben einen Wärmeinhalt von 267540 kJ, die sich aus 41750 kJ Wasserwärme und 225790 kJ Verdampfungswärme zusammensetzen. Durch das Verdampfen wird also in dem entstehenden Dampf eine im Vergleich zur Wasserwärme große Energiemenge gespeichert und die Tatsache, dass ein solch großer Teil des Gesamtwärmeinhaltes des Dampfes aus Verdampfungswärme besteht, hat große Bedeutung für die Auslegung und Handhabung der Dampfanlagen. Die Gründe hierfür werden wir im weiteren Verlauf dieser Ausführung, vor allem wenn von der Verwendung des Dampfes die Rede sein wird, leicht verstehen.

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Dampfdruck und Dampfvolumen
Der Ausdruck "Atmosphäre" oder "atmosphärischer Druck" ist Ihnen sicherlich schon oft begegnet. Für den Fall, dass Sie seine Bedeutung noch nicht genau kennen, wollen wir eine Erklärung versuchen. Luft wiegt zwar sehr wenig (ein Liter wiegt rund 1,3 Gramm), da aber die Luftschicht über dem Erdboden sehr dick ist, drückt sie doch mit großer Kraft auf den Erdboden und auf alle Gegenstände, die sich dort befinden. Diese Kraft wirkt wegen der leichten Beweglichkeit der Luft in allen Richtungen in gleicher Stärke.

Welch große Kraft die Luft dabei tatsächlich ausübt, können Sie an den bekannten Saughaken im Badezimmer feststellen: Durch Andrücken an eine glatte Wand wird die Luft aus der Saugschale herausgedrückt. Jetzt drückt nur noch die Luft von außen gegen den Haken – und hält ihn mit beachtlicher Kraft an der Wand fest.

Da der Luftdruck so allgegenwärtig ist – zumindest auf der Erdoberfläche, wo sich immer noch der größte Teil des technischen Geschehens abspielt, hat man ihn angenähert als Druckeinheit gewählt. Aber: Je nach Wetterlage schwankt der Luftdruck etwas; außerdem ist er auf einem Berg niedriger als im Tal, weil die über dem Berg liegende Luftschicht ja dünner ist. Als Einheit für Druckmessungen hat man deshalb im SI-System den Wert von 1 bar gewählt und genau festgelegt.

Solange in unserem Dampfkessel das angenommene Loch ist, drückt die Luft auch auf das Wasser im Kessel. Deshalb kann kaltes Wasser nicht kochen. Erhitzt man das Wasser aber, dann verdunstet es immer stärker und bei 100°C ist der Punkt erreicht, an dem das Verdampfungsbestreben des Wassers, der "Dampfdruck", die Größe des Luftdrucks erreicht: Jetzt kann der Dampfdruck das Wasser gegen den Luftdruck auseinanderdrücken, so dass sich im Innern des Wassers Dampfblasen bilden; man sagt dann: das Wasser siedet oder kocht. (Bläschen, die sich beim Erhitzen des Wassers oder auch beim längeren Stehen kalten Wassers bilden, sind keine Dampfblasen, sondern bestehen aus Luft, die zuvor im Wasser gelöst war und bei der Erwärmung entweicht.)

Zur Klarstellung wollen wir die Daten kurz wiederholen:

Druck im Innern und außerhalb des Dampfkessels: 1 bar
Dampfdruck: 1 bar
Temperatur des Wassers im Dampfkessel: 100°C
Temperatur des Dampfes: 100°C

Nachdem die angenommene Öffnung in unserem Dampfkessel als Hilfsmittel zur Erklärung der Vorgänge bei atmosphärischem Druck gedient hat, ist ihr Zweck erfüllt und wir lassen sie im folgenden weg. Wir erzeugen weiterhin Dampf im Kessel, bei dem nun jede Öffnung fehlt. Der Dampf kann also nicht mehr entweichen. Was passiert?

Der Dampfkessel ist jetzt ein geschlossenes Gefäß. Je mehr Dampf in diesem Gefäß erzeugt wird, desto höher wird der Druck im Gefäß werden, da der Dampf mehr Raum für sich beansprucht als das Wasser, aus dem er erzeugt wurde. Die Verhältnisse sind ähnlich wie beim Aufpumpen eines Fahrradreifens, nur dass dort die Luft mit Hilfe der Pumpe von außen eingedrückt wird. Wie die Luft im Reifen nach allen Seiten drückt, so drückt auch der Dampf nach allen Seiten: gegen die Innenflächen des Kessels und auf die Oberfläche des Wassers. Diese beiden Punkte, zunehmender Dampfdruck und Wirkung des Druckanstiegs auf die Wasseroberfläche, sind der Anlass zu weiteren Vorgängen, die von Bedeutung für die praktische Verwendung des Dampfes sind. Genaugenommen helfen sie uns, den Dampf zu unserem größtmöglichen Nutzen einzusetzen. Da jetzt der Druck auf die Wasseroberfläche gestiegen ist, wird das Sieden, d. h. die Dampfblasenbildung im Wasser, unterdrückt. Weiter zugeführte Wärme erhöht zunächst die Wassertemperatur und damit das Bestreben des Wassers, zu verdampfen, sozusagen den Dampfdruck im Innern des Wassers zu erhöhen, bis dieser größer ist als der auf die Wasseroberfläche wirkende Dampfdruck. Jetzt siedet das Wasser wieder, Wasser verdampft, der Dampfdruck über dem Wasser steigt, usw. Die genauen Gründe für diese Vorgänge brauchen wir nicht zu erforschen. Wir müssen uns aber unbedingt merken, dass das Wasser unter höherem Druck bei höherer Temperatur siedet. Bei einem Druck von 10 bar beträgt die Siedetemperatur rund 180°C. Um Wasser bei 10 bar zum Verdampfen zu bringen, muss es also erst einmal auf 180°C erhitzt werden; dazu sind rund 763 kJ je kg Wasser erforderlich. Zum anschließenden Verdampfen sind bei 10 bar weitere 2014 kJ je kg Wasser nötig. Der Wärmeinhalt des Dampfes von 10 bar beträgt also 2777 kJ/kg.

Allgemein gilt: Bei zunehmendem Dampfdruck wird der Gesamtwärmeinhalt größer, wobei aber die Wasserwärme steigt und die Verdampfungswärme abnimmt. Bei sinkendem Dampfdruck verringert sich der Gesamtwärmeinhalt bei einer stärkeren Abnahme der Wasserwärme und einer Zunahme der Verdampfungswärme. Zum Schluss des Abschnitts "Wärmeinhalt und Verdampfungswärme" erwähnten wir, dass der große Anteil der Verdampfungswärme am Gesamtwärmeinhalt von besonderer Wichtigkeit ist. Wenn wir im Zusammenhang mit dem Dampfdruck einen Punkt besonders herausstellen möchten, dann ist es die Feststellung, dass die Verdampfungswärme je Kilogramm Dampf um so größer ist, je niedriger der Dampfdruck ist. Der Dampfdruck wird nach dem SI-System in bar angegeben. Wenn kein Hinweis gegeben ist, wie z. B. pe = … , ist darunter der absolute Druck zu verstehen.

Druck Druck

Das Manometer an einem Dampfkessel zeigt, entsprechend seiner Konstruktion, stets Überdrücke an, d. h. die Druckdifferenz (Überdruck) zum umgebenden Luftdruck. Diesen äußeren Luftdruck kann man mit dem Barometer messen, er wird meist in mbar (Millibar) angegeben, d. h. in tausendstel Bar. Wenn z.B. der Luftdruck 1010 mbar beträgt und das Manometer des Dampfkessels 3,2 bar anzeigt, beträgt der absolute Dampfdruck im Kessel

Barometer 1010 mbar = 1,01 bar Luftdruck
Manometer = 3,2 bar Dampfüberdruck
absoluter Dampfdruck = 4,21 bar  

Der in bar angegebene Druck ohne Hinweis gilt als absoluter Druck, sonst ist z. B. zu schreiben pe = 3,2 bar. Bei nur angenäherten Messungen nimmt man den Luftdruck stets mit 1 bar an. Bei sehr genauen Messungen muss parallel zur Messung des Dampfüberdruckes der Luftdruck mit einem Barometer gemessen werden. Von Vakuum oder Unterdruck spricht man dann, wenn der Druck in einem Raum geringer als der umgebende Luftdruck ist. Gemessen wird dies häufig mit einem Mano-Vakumeter, das z. B. einen Anzeigebereich von 2 bar über 0 bis –1 bar hat. Zur Ermittlung des absoluten Druckes ist wieder sinngemäß der äußere Luftdruck zu berücksichtigen. Überschlägig gilt bei Anzeige von 0,3 bar Unterdruck: absoluter Druck = 1 – 0,3 bar = 0,7 bar.

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Wieviel Raum nimmt der Dampf ein?
Der Raum, den 1 kg Dampf einnimmt, hängt vom Druck ab. 1 kg Wasser hat, fast unabhängig vom Druck, einen Rauminhalt von 1 Liter. Verwandelt man dieses Kilogramm Wasser ganz in Dampf, so erhält man genau 1 kg Dampf, der aber viel mehr Platz beansprucht. Um zu zeigen, wie der Rauminhalt, das sogenannte "Volumen" des Dampfes, sich mit dem Druck verändert, möchten wir zwei Beispiele anführen: Bei etwa atmosphärischem Druck von 1 bar, das Manometer zeigt 0 bar an, nimmt 1 kg Dampf einen Raum von etwa 1700 Liter ein. Bei einem Druck von 10 bar, das Manometer zeigt einen Dampfüberdruck von 9 bar an, hat 1 kg Dampf nur noch ein Volumen von 240 Liter.

In jedem Falle gingen wir von der gleichen Menge Wasser aus und setzten das Wasser vollständig in Dampf um. Wir stellten jedoch fest, dass das Volumen des Dampfes sich bei steigendem Druck verringert. Dies müssen wir uns gut merken, zusammen mit der Tatsache, dass Dampf stets sehr viel mehr Raum einnimmt als die gleiche Gewichtsmenge Wasser. Nur 1 Liter Wasser, bei Atmosphärendruck verdampft, ergibt eine große Dampfwolke. Diese Erscheinung wird uns später noch sehr beschäftigen. Der Rauminhalt, das Volumen, wird vom Techniker häufig nicht in Liter sondern in Kubikmeter angegeben: 1 m3 (sprich: Kubikmeter) ist ein Volumen, das genau in ein Paket von 1 Meter Länge, 1 Meter Breite und 1 Meter Höhe passen würde. Sie kennen das sicher von den Holzfällern im Wald: Die Stämme werden in Stücke von 1 m Länge geschnitten und dann in "Pakete" von 1 m Breite und 1 m Höhe aufgeschichtet; so entsteht 1 Kubikmeter Holz. – Benötigt man ein wesentlich kleineres Raummaß, so verwendet man das Litermaß: 1000 Liter sind ebenso viel wie 1 m3.

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Wärme und Temperatur
Die Begriffe "Wärme" und "Temperatur" sind ziemlich allgemein bekannt, ja beinahe so gut, dass man sie verwechselt. Bevor wir fortfahren, möchten wir daher die folgende Erklärung einfügen, um ganz sicher zu gehen, dass Ihnen der Unterschied zwischen Wärme und Temperatur geläufig ist.

Raum

 

Raum

Wärme ist das Zeug, das ein Ding wärmer macht oder verändert – die Temperatur zeigt dagegen an, wie dicht gedrängt die Wärme in dem "Ding" sitzt: je dichter, desto heißer. Ein Vergleich soll dies etwas deutlicher machen. Pumpen wir den Reifen eines Kinderrollers mit 30 Stößen einer Luftpumpe auf, so ist er bereits hart; geben wir die 30 Pumpenstöße jedoch in einen zuvor leeren Fahrradreifen, so wird der Reifen zwar rund, aber noch weich sein: Der Druck im Fahrradreifen ist bei gleichem Luftinhalt (30 Pumpenstöße) niedriger als im Rollerreifen.

"Pumpen" wir in 10 Liter Wasser 420 kJ hinein, dann steigt die Temperatur um 10 Grad; "pumpen" wir die 420 kJ jedoch in 1 Liter Wasser, dann steigt die Temperatur um 100 Grad, weil die gleiche Wärmemenge jetzt in einen kleineren Körper gesteckt wurde. Sie können nun selbst ausrechnen, dass in Ihrer mit "kaltem" Wasser gefüllten Badewanne sehr viel mehr Wärmeenergie steckt als in einem Topf kochenden Wassers, den Sie hineinschütten. Der Beweis: Sie müssen schon viele Töpfe voll heißen Wassers beigeben, bis das Wannenwasser merklich wärmer geworden ist.

Im "kalten" Bodensee steckt also eine riesige Menge Wärmeenergie – aber die Natur hat dem menschlichen Ausbeutungsstreben einen Riegel vorgeschoben: Wärme geht bekanntlich nur von Körpern höherer Temperatur auf Körper niedrigerer Temperatur über, nicht umgekehrt. Nach dem, was wir vorhin zur Erklärung der Temperatur sagten, ist das ja auch verständlich: Die Wärme geht eben vom Körper stärkeren Wärmegedränges dorthin, wo sie mehr Platz hat. Und nur so lange wandert die Wärme, bis beide Körper die gleiche Temperatur haben. Aus unserem Bild vom Gedränge wird auch verständlich, dass die Wärmeübertragung um so schneller vor sich geht, je größer der Temperaturunterschied ist.

Eine anfangs heiße Bettflasche wird zunächst rasch kühler, dabei das Bett erwärmend. Die Abkühlung geht dann, wegen der kleiner gewordenen Temperaturdifferenz, aber langsamer vor sich. Am nächsten Morgen haben Bettflasche und umgebende Bettteile die gleiche Temperatur. (Nur wenn die Flasche herausfällt, wird sie kühler als das Bett!)

Die Aufheizung eines Behälters mit einer Dampfschlange geht zunächst rasch vor sich, wird dann aber immer langsamer. Die stündlichen Wärmeverluste einer Dampfleitung sind um so größer, je heißer die Dampfleitung ist.

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Verschiedene Dampfarten
Bisher haben wir immer nur von Dampf gesprochen und damit Sattdampf gemeint, das ist Dampf, der in unmittelbarer Berührung mit Wasser steht. Von diesem Sattdampf wird angenommen, dass er "trocken" ist, d. h. dass er keine Wassertröpfchen enthält.

Dampfart

In der Praxis ist Dampf meist ein wenig "feucht", d. h. er enthält Wasserteilchen, weshalb er auch Nassdampf genannt wird – oder der Dampf ist mehr oder weniger überhitzt: Wird der aus dem Kessel kommende Dampf vom Wasser getrennt und wird ihm weiter Wärme zugeführt, so verdampft zunächst das etwa mitgerissene Wasser, der Dampf wird trocken. Sobald alles Wasser verdampft ist, führt weiter hineingesteckte Wärme zu einer Temperaturerhöhung, der Dampf wird "überhitzt". Jetzt liegt die Dampftemperatur höher als die Sättigungstemperatur, sie folgt nicht mehr der Sattdampfkurve und wir haben Trockendampf.

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