Kondensator (Dampfturbine)

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Schematische Darstellung eines Kondensators

Überschlägige Berechnung der Kaltwassermenge

Ein aufgeschnittener Kondensator

Der Kondensator ist ein entscheidendes Element für den Betrieb von Dampfmaschinen und Kondensationsdampfturbinen. Er dient zur Verflüssigung des Abdampfes dieser Wärmekraftmaschinen und ermöglicht einen geschlossenen Kreisprozess. Mit der Erfindung des Kondensators durch James Watt konnten erstmalig Dampfmaschinen gebaut werden, die einen vergleichsweise geringen Energiebedarf hatten. Daher gilt die Einführung des Kondensators 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.

Diesen Nachteil haben die heutigen Oberflächenkondensatoren in der Form des Rohrbündelwärmeübertragers nicht. Hier wird das kalte Kühlwasser durch Rohre in den Abdampfraum geführt und der Abdampf kondensiert außen 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.

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 in Kühltürmen abgekühlt.

Steht am Standort des Kraftwerks kein Kühlwasser zur Verfügung, so wird anstelle eines wassergekühlten Kondensators ein Luftkondensator (engl. air cooled condenser) eingesetzt. Dieser kühlt den Dampf mit Umgebungsluft. Luftkondensatoren erfordern wesentlich mehr Platz. Der Kondensationsdruck ist durch die Umgebungstemperatur begrenzt. Luftkondensatoren benötigen jedoch kein Kühlwasser und es fallen keine Dampfschwaden wie beim Kühlturm an. Luftkondensatoren wurden auch in Dampflokomotiven eingebaut, um ihren Verbrauch an Speisewasser zu vermindern (siehe Kondensationslokomotive).