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.
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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 |
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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
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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. |
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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. |
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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 |
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Wasserdampf wird nicht nur zum
Heizen (Dampfheizung) eingesetzt.
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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. |
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Antrieb zur Stromerzeugung
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Gas-Kombi-Kraftwerk
Quelle: FIZ Karlsruhe
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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 |
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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 |
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Wasserdampf eignet sich besonders gut für eine feindosierte Luftbefeuchtung.
Außerdem bleibt der erzeugte Dampf frei von Bakterien und Keimen. |
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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 |
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Dampfbefeuchter-Bausatz |
Quelle:
Walter Meier GmbH |
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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
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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
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nach dem Druck: |
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nach der Lage der Kondensleitung: |
- obere (trockene) Kondensatleitungen
- untere (nasse) Kondensatleitungen
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nach der Lage der Hauptverteilleitung:
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- obere Verteilung
- untere Verteilung
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nach dem Rohrsystem: |
- Einrohrsysteme
- Zweirohrsysteme
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nach der Art der Kondensatrücklauf:
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- Rückführung mit natürlichem
Gefälle
- Rückführung durch Pumpe
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