Wasserdampf (H2O)

Geschichte der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik
Abkürzungen im SHK-Handwerk
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Allgemein wird Wasserdampf als sichtbare Dampfschwaden von teilweise bereits kondensierendem Wasserdampf (Nassdampf), wie er als Nebel oder in Wolken vorkommt, wahrgenommen. Im technisch- naturwissenschaftlichen Bereich ist Wasserdampf gasförmiges Wasser, das in diesem Aggregatzustand wie Luft unsichtbar ist. Wasserdampf ist auch ein Klimagas.
Die Vorausetzung für eine Dampfbildung ist das Sieden 1. Wasser siedet bei einem normalen Umgebungsdruck von 1,013 bar (101,325 kPa) bei 100 °C. Bei anderen Umgebungsdrücken ist der Siedepunkt2 bzw. Kondensationspunkt höher oder niedriger. Wenn dem Wasser weiter Energie (Wärme) zugeführt wird, verdampft es. Dabei kommt es zu keinem weiteren Temperaturanstieg. Aus 1 Liter (ca. 1 kg) Wasser entstehen 1.673 Liter Wasserdampf, wofür eine Energiezufuhr von 2.256 kJ benötigt wird. Mit steigendem Druck nimmt die Verdampfungswärme des Wassers ab, bis sie im kritischen Punkt gleich Null ist.
1 Sieden ist der der Übergang einer Flüssigkeit (z. B. Wasser) in den gasförmigen Zustand (z. B. Wasserdampf), wenn der Dampfdruck der Flüssigkeit gleich dem Umgebungsdruck ist. Reine Stoffe sieden isotherm am Siedepunkt, der auch der Kondensationspunkt ist, also die Temperatur, bei der sich ein Gas mit dem gleichen Druck in die Flüssigkeit umwandelt. Den Phasenübergang von der flüssigen in die gasförmige Phase unterhalb des Siedepunktes nennt man Verdunstung.
2 Der Siedepunkt (Wasser) von 100 °C gilt bei dem normalen Luftdruck von 1,013 bar (101,325 kPa) auf Höhe des Meeresspiegels. Der Siedepunkt nimmt alle 285 bis 300 Meter um 1 °C ab. Bei einer Druckerhöhung (Wasserdampf im Sättigungszustand) steigt der Siedepunkt.

Der Tripelpunkt (Dreiphasenpunkt) bezeichnet den Punkt (Druck und Temperatur [bei Wasser 6,1 mbar - 0,01 °C]) an dem drei Phasen eines Systems im thermodynamischen Gleichgewicht sind. So kommen z. B. bei Wasser > Wasserdampf, Wasser (flüssig) und Eis gleichzeitig vor und die Mengenverhältnisse der drei Phasen ändern sich nicht. Somit ändert sich die Menge einer Phase zu Gunsten der anderen beiden Phasen in ständiger Wechselwirkung.
Naßdampf entsteht, wenn Wasser in einer kälteren Umgebung unter Zufuhr von Wärme verdampft, denn dann kondensieren Teile des gasförmigen Wassers wieder zu feinsten Tröpfchen. Der Wasserdampf besteht dann aus diesen Tröpfchen und gasförmigem, unsichtbarem Wasser. Das ist z. B. beim Wasserkochen sichtbar. Der Bereich des Nassdampfes erstreckt bis zum kritischen Punkt bei 374 °C und 221 bar.
Heißdampf bzw. "überhitzter Dampf" entsteht, wenn nach dem vollständigen Verdampfen der Flüssigkeit über die zugehörige Verdampfungstemperatur weiter erwärmt wird. Diese Form des Dampfes enthält keine Wassertröpfchen mehr und ist in ihrem physikalischen Verhalten ebenfalls ein Gas und nicht sichtbar.
Sattdampf bzw. "Trockendampf" befindet sich im Grenzbereich zwischen Nass- und Heißdampf. Dieser Zustand wird in den meisten Tabellenwerte über Wasserdampf bezogen.

Wasserdampftafeln - UNITICAFIZ
Hauptanwendungen von Dampf - TLV Euro Engineering GmbH
Wasserdampf - LUMITOS AG
Wasserdampf - Dr. Rüdiger Paschotta - RP-Energie-Lexikon
Auf dem Weg vom Eis zum Wasserdampf - Doz. Dr. Franz Embacher

 
 

Verdunstung

Eine Verdunstung tritt auf, wenn z. B. Wasser unterhalb der Siedetemperatur vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Dabei kühlt sich die Luft ab, da beim Verdunstungsprozess latente Wärme freigesetzt (Verdunstungskühlung) wird. Luft, die nicht mit Wasserdampf gesättigt ist, nimmt Wasser schon bei Raumtemperatur auf. Auf dem Prinzip der Wasserverdunstung beruht z. B. das Trocknen von Wäsche, das Verschwinden von Wasserpfützen oder das Austrocknen des Erdbodens (Evaporation). Der Wasserdampf in der Atmosphäre ist auch eines der Klimagase.
Die Aufnahme von Wasser in die Erdatmosphäre durch Verdunstung (Evaporation) spielt sich auf der Erdoberfläche (Böden, Wasserflächen und Pflanzen) ab.
Folgende Faktoren beeinflussen die Verdunstung:

  • Lufttemperatur
  • Luftfeuchtigkeit
  • Sonneneinstrahlung (Jahreszeit)
  • Windstärke bzw. bedingt auch Windrichtung
  • Oberflächenbeschaffenheit (Bodentyp usw.) und Vegetation
  • Wassergehalt des Bodens bzw. Niederschlagsmenge

Da durch die zunehmende Erderwärmung die Luft mehr Wasserdampf aufnehmen kann, nimmt auch in der oberen Erdatmosphäre die Wolkenbildung zu. Aber auch der steigende Luftfahrtverkehr emittiert Wasserdampf in die oberen Luftschichten.

Der Wasserdampf trägt aber nur indirekt und die anderen Klimagase direkt zur Erderwärmung bei. Diese These ist umstritten, da eine verstärkte Wolkenbildung weniger Sonneneinstrahlung durch die Reflektion zulässt, das dann wieder zu einer Abkühlung der Atmosphäre führen könnte. Aber die Wolkenbildung verhindert auf der anderen Seite die Wärmeabstrahlung in der Nacht. Außerdem schwankt die Konzentration des Dampfgehaltes in der Atmosphäre und ist wissenschaftlich schwer zu erfassen und zu beurteilen.
Quelle: © Enquête-Kommission "Schutz der Erdatmosphäre"

Der Effekt der Verdunstungskühlung durch Wasser ist die Grundlage für den Effekt der Thermoregulation durch Schwitzen, indem der Haut die Verdunstungswärme entzogen und diese dadurch abgekühlt wird.

Die meisten indirekten Wärmeeinträge finden über das Dach statt. Es ist immer sinnvoll, diese Wärme nicht in ein Haus zu lassen. Auch die beste Außendämmung verhindert das Eindringen von Wärme nicht, wenn sich z. B. die Dachfläche stark aufheizt. Der Einsatz einer Verdunstungskühlung (adiabatische Kühlung) ist hier eine Alternative zu aufwendigen Kühlsystemen und kann mit einer natürlichen Nachtlüftung kombiniert werden.

Auch Luftbefeuchter arbeiten neben den Dampfbefeuchtern nach dem Verdunstungsprinzip ( Verdunstungsbefeuchter, Zerstäubungsbefeuchter). Dabei wird Luft entweder über nasse Flächen geleitet oder es wird Wasser zerstäubt und in die Raumluft oder in ein Lüftunggerät bzw. Kanalsystem gesprüht.
 
 

Gefahren durch Wasserdampf
Schon geringe Mengen Wasserdampf können ein zerstörerisches Potenzial an dampfführenden Apparaturen (z. B. Dampfkessel, Rohrleitungen, Wärmetauscher) haben, da der Dampf große Mengen Wärme bzw. Energie transportiert. Das Bersten von Dampfkesseln gehört zu schwersten Unfällen.
Wenn der Wasserdampf mit hoher Temperatur und hohem Druck aus einem defekten Dampfkessel austritt, dann ist der frei austretende überhitzte Wasserdampf unsichtbar und kann einen Strahl von erheblicher Länge bilden. Erst wenn der austretende Freistrahl sich mit der Umgebungsluft vermischt und sich abkühlt, beginnt der Dampf zu kondensieren und wird sichtbar. Bei großen Dampfaustritten kann die Nebelbildung die Orientierung im Raum für Flüchtende stark eingeschränken. Ein ausströmender überhitzer Wasserdampf kann auch Brände auslösen. Ein Nachverdampfen des noch flüssigen Wassers durch die Druckverringerung in der Umgebung des Dampf bzw. Wasseraustritts kann bei einem großflächigen Kontakt durch eintretende Verbrühungen tödlich sein.
Auch das Löschen von Bränden mit Wasser kann aufgrund der großen Volumenunterschiede zwischen Wasser und Wasserdampf (ca. 1:1.700) ist gefährlich. So kann z. B. bei einem Schornsteinbrand das Löschwasser zu einem Zerreißen des Schornsteins führen. Auch ein Fettbrand darf nicht mit Wasser gelöscht werden, da dieses unter das brennende Fett sinkt, dort verdampft und sich dann ausdehnt und brennendes Fett mit hochreißt, es kommt zur Fettexplosion.

Verordnung über Sicherheit und Gesundheitsschutz bei der Verwendung von Arbeitsmitteln (Betriebssicherheitsverordnung - BetrSichV)
Dampfkesselverordnung (Dampfkv)
Gefährdungen durch Dampf und Druck
Zusammenfassung der sicherheitstechnischen Beurteilungnach §18(2) BetrSichV
zum Schadensereignis vom 12.05.2014 im Kraftwerk Staudinger Block 5

Stephan Heyner - TÜV Technische Überwachung Hessen

 
 

Wasserdampf wird nicht nur zum Heizen (Dampfheizung) eingesetzt.

Der in Dampfkesseln erzeugte Wasserdampf wird in der Technik zu folgenden Zwecken verwendet:

  • in Dampfheizungen (Niederdruck-, Hochdruck- und Vakuumdampfheizung)
  • bei der Siedekühlung als Träger der Wärmeenergie
  • als Arbeitsmittel in Dampfmaschinen und Dampfturbinen
  • bei der Förderung von Erdöl
  • als Hilfsmittel beim Steamcracken für die Herstellung von Benzin
  • als Zwischenprodukt bei der Meerwasserentsalzung
  • zum Fördern von flüssigem Wasser mit einer Dampfstrahlpumpe

Außerdem wird Wasserdampf

  • zur Befeuchten von Luft in der Raumlufttechnik
  • zum Biegen von Holz im Boots- Möbel- und Instrumentenbau
  • zur Reinigung von Gegenständen
  • zur Sterilisation von medizinischen und mikrobiologischen Instrumenten
  • in der Küche zur schonenden Zubereitung von Lebensmitteln durch Dämpfen
  • im Haushalt zum Bügeln von Wäsche
  • zur Inhalation zur Heilung von Krankheiten
  • in Dampfbädern

verwendet.

 
 
Antrieb zur Stromerzeugung


Gas-Kombi-Kraftwerk
Quelle: FIZ Karlsruhe

Dampfturbinen drehen sich in den Strömungen des heißen Wasserdampfes. Sie sind Teil eines geschlossenen Wasserkreislaufs, in dem Wasser kondensiert und wieder zu Dampf erhitzt wird. Dampfturbinen kommen daher nicht mit dem eingesetzten Brennstoff in Kontakt. Oft werden mehrere Dampfturbinen hintereinander angeordnet, um ausgelegt auf Hoch-, Mittel und Niederdruck, den Druck des Dampfes optimal in Drehbewegung umsetzen zu können. Quelle: FIZ Karlsruhe

In einem Gas-Kombi-Kraftwerk sind Gasturbinen mit Dampfturbinen zusammengeschaltet. Nach dem Durchströmen der Gasturbine wird die noch vorhandene Wärme des Abgases über einen Wärmetauscher ausgekoppelt, um den Dampfprozess zu betreiben.


Gas-Kombi-Kraftwerk
Quelle: Peter Lehmacher

Das Herzstück eines Gas-Kombi-Kraftwerkes ist die Gasturbine mit einem Verdichter, der die Umgebungsluft ansaugt und bis auf einen Druck von 20 bis 30 bar verdichtet. In die Brennkammer zugeführtes Erdgas wird mit dieser komprimierten Luft verbrannt. Dabei entstehen Temperaturen von bis zu 1.500 °C. Das heiße Abgas wird dann in der Turbine bis auf Umgebungsdruck entspannt und verrichtet dabei Arbeit, die teilweise zum Antrieb des Verdichters, überwiegend aber für den Generator benutzt wird.
In Gas-Kombi-Kraftwerken hat das Abgas der Gasturbine noch eine Temperatur von über 600 °C. Es wird dann durch einen Abhitzekessel (Wärmetauscher) geführt. Dieser erzeugt auf mehrere 100 bar verdichteten Dampf, der dann über Dampfturbinen entspannt wird. Anschließend wird der Dampf in einem Kondensator wieder verflüssigt. Das gesammelte Wasser wird wieder auf Druck gepumpt und dem Wärmetauscher erneut zugeführt. So entsteht ein geschlossener Wasser-/Dampfkreislauf. Quelle: FIZ Karlsruhe

Gas-Kombi-Kraftwerk - FIZ Karlsruhe

 
 
Befeuchtung der Raumluft
Wasserdampf eignet sich besonders gut für eine feindosierte Luftbefeuchtung. Außerdem bleibt der erzeugte Dampf frei von Bakterien und Keimen.
Quelle: Pluggit GmbH
Mit einem integrierten Micro-Controller in der Steuerelektronik lassen sich sehr präzise auch kleinste individuelle Dampfmengen erzeugen. Die Bedienung ist einfach und übersichtlich. Durch spezielle Fühler wird ständig die Abluftfeuchte gemessen. So wird die gewünschte relative Luftfeuchtigkeit durch Anpassung der Dampfmenge erreicht. Wenn die gewählte Raumfeuchte erreicht ist, schaltet sich das Gerät automatisch ab.
Aus dem Leitungswasser, das durch einen direkten Wasseranschluss an das Gerät angeschlossen ist, wird Heißwasserdampf erzeugt. Dadurch bleibt der Dampf hygienisch einwandfrei. Ein regelmäßiges Abschlemmen des Wassers in den Kondensatablauf verhindert Kalkablagerungen.
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Kanaldampfbefeuchter
Dampfbefeuchter-Bausatz
Quelle: Walter Meier GmbH
In diesem Luftbefeuchter wird das eingefüllte Wasser verdampft und an die Raumluft oder in den Kanal abgegeben. Diese Geräte haben einen hohen Energiebedarf, bringen aber eine hohe Befeuchtungsleistung. Außerdem wird durch die Verdampfung Keime im Wasser abgetötet.
Die Dampfluftbefeuchtung ist ein nahezu isothermer Vorgang. Die Temperaturerhöhung der Raum- bzw. Anlagenluft durch Dampfzugabe hängt von der jeweiligen Dampfenthalpie ab. Bei den in der Luftbefeuchtung verwendeten Dampfdrücken und -temperaturen ist diese Temperaturerhöhung gering und wird üblicherweise vernachlässigt.
Präzisionsdüsen aus Edelstahl entnehmen den Dampf aus dem Kernstrom der Dampfverteiler und verteilen diesen gleichmäßig und tropfenfrei über den gesamten Luftstrom. Die Edelstahldüsen sind verschleißfrei sowie vollkommen temperatur- und alterungsbeständig. Die Kollektoren, Dampfverteilrohre und patentierten Rohrkupplungen sind ebenfalls aus nichtrostendem Edelstahl gefertigt.

HygroMatik Dampfluftbefeuchter - HygroMatik GmbH

Luftbefeuchter für RLT-Anlagen - Condair GmbH

 
 
 
 

 
 
Dampfheizungen
Dampfheizungen werden für Wohn- und Bürogebäude heutzutage kaum noch eingesetzt. Für kurzfristig oder periodisch benutzte Räume, so z. B. Messehallen, Ausstellungsräume, besonders, wenn in den Betriebspausen Frostgefahr besteht, sowie für Kochküchen, Wäschereien und für die Industrie, die Dampf für andere Zwecke benötigen, wird weiterhin Dampf als Wärmeträger verwendet.
Der in einem Kessel erzeugte Dampf wird durch Dampfleitungen zu den Heizkörpern oder Wärmeaustauschern geleitet. Hier kondensiert der Dampf und das entstehende Kondensat fließt durch die Kondensatleitungen zum Kessel zurück.
Heizungsanlagen unterscheidet man
  •   offene Dampfheizungen
  •   geschlossene Dampfheizungen
nach dem Druck:
nach der Lage der Kondensleitung:
  •   obere (trockene) Kondensatleitungen
  •   untere (nasse) Kondensatleitungen
nach der Lage der Hauptverteilleitung:
  •   obere Verteilung
  •   untere Verteilung
nach dem Rohrsystem:
  •   Einrohrsysteme
  •   Zweirohrsysteme

nach der Art der Kondensatrücklauf:

  •   Rückführung mit natürlichem Gefälle
  •   Rückführung durch Pumpe
 
 
Planungshandbuch - Dampfheizung - Viessmann Werke GmbH & Co. KG
Dampfwissen - Spirax Sarco GmbH
Hinweis! Schutzrechtsverletzung: Falls Sie meinen, dass von meiner Website aus Ihre Schutzrechte verletzt werden, bitte ich Sie, zur Vermeidung eines unnötigen Rechtsstreites, mich umgehend bereits im Vorfeld zu kontaktieren, damit zügig Abhilfe geschaffen werden kann. Bitte nehmen Sie zur Kenntnis: Das zeitaufwändigere Einschalten eines Anwaltes zur Erstellung einer für den Diensteanbieter kostenpflichtigen Abmahnung entspricht nicht dessen wirklichen oder mutmaßlichen Willen. Die Kostennote einer anwaltlichen Abmahnung ohne vorhergehende Kontaktaufnahme mit mir wird daher im Sinne der Schadensminderungspflicht als unbegründet zurückgewiesen.
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