Kesselstein

Kesselstein im Elektronenmikroskop

Kesselstein ist eine feste Abscheidung an den Wänden beispielsweise von Heizkesseln (daher der Name), Töpfen oder Rohrleitungen, die längere Zeit mit Wasser gefüllt in Gebrauch waren. Kesselstein besteht zumeist aus den Erdalkalisalzen Calcium- und Magnesiumcarbonat.

Entstehung

Kalkablagerungen an einem undichten Absperrventil

In Oberflächenwasser, das durch kalkhaltigen Boden fließt, lösen sich durch gebundene Kohlensäure (Kohlenstoffdioxid) Calcium- und Magnesiumverbindungen auf. Die Summe der Calcium- und Magnesiumsalze wurde früher als Gesamthärte bezeichnet. Durch Verdunsten oder Erhitzen von hartem Wasser entweicht daraus Kohlendioxid, das gelöste Calciumhydrogencarbonat wandelt sich zu unlöslichem Calciumcarbonat (=Kalk) um und es kommt zu Ausfällungen, die sich an den Wänden des Gefäßes an bereits bestehenden Kristallisationskeimen niederschlagen. Durch Temperaturerhöhung kann die Bildung von Kesselstein durch die folgende Reaktion beschrieben werden:

$ \mathrm{Ca(HCO_{3})_{2 (aq)} \rightarrow CaCO_{3 (s)} \downarrow + H_2O_{(l)} + CO_{2 (g)} \uparrow} $


Zur Geologie und Chemie des Kesselsteins siehe Kalkstein.

Entfernung und Vermeidung

Entfernt wird Kesselstein in der Regel durch Auskochen mit verdünnten Säuren, zum Beispiel Zitronensäure oder Milchsäure. Des Weiteren gilt insbesondere Essig als Hausmittel zur Beseitigung. Bei der Entkalkung mit Essig ist jedoch darauf zu achten, dass dieser die eventuell vorhandenen Gummidichtungen (z.B. in einer Kaffeemaschine) angreift und porös macht. Vor allem bei Maschinen und Rohrleitungen, in denen sich über Jahre oder Jahrzehnte Kesselstein abgelagert hat, lässt sich Kesselstein meistens nur noch mechanisch durch Abklopfen oder Absprengen entfernen.

Zur Verhinderung der Kesselstein-Entstehung kann das Wasser vor Gebrauch enthärtet werden.[1]

Eine als innere Wasseraufbereitung bezeichnete Maßnahme beruht auf der Zugabe von Phosphat in das Kesselwasser. Ein Überschuss bewirkt die Bildung von Calcium- bzw. Magnesiumphosphat, die sich als Schlamm auf dem Boden des Kessels absetzen und durch Abschlämmen aus dem Kessel entfernt werden. Ein ähnliches Verfahren wird bei der inneren Speisewasseraufbereitung bei Dampflokomotiven angewendet.

In Italien ist es üblich, in Wasserkessel einen kleinen Brocken Marmor zu legen, der den Kalk an sich binden soll. Die Effektivität dieser Methode ist umstritten.

Kesselsteinablagerungen in Dampfkesseln

Das Diagramm zeigt die Erhöhung der Flammrohrtemperatur an einem Dampfkessel infolge Kesselsteinablagerungen

In Dampfkesseln, die mit unzureichend aufbereitetem Kesselwasser betrieben werden, fällt Kesselstein insbesondere auf Heizflächen aus. Gipshaltiger Kesselstein hat eine Wärmeleitfähigkeit λ von 0,5 bis 2,3 W/mK und silikatreicher Kesselstein von 0,08 bis 0,18 W/mK. Im Vergleich zum Stahl (λ = 50 W/mK) hat der Kesselstein eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und bildet somit eine isolierende Schicht zum Wasserraum. Dies führt zu einer Temperaturerhöhung auf den Wandungen der Heizflächen, mit der Folge, dass sich der Werkstoff an den überhitzen Flächen stärker ausdehnt, und dies zu Rissen insbesondere an Schweißnähten führen kann.

In Wasserrohrkesseln und Schnelldampferzeugern können die Wasserrohre so weit mit Kesselsteinablagerungen zuwachsen, dass die Durchströmung und somit Kühlung der Wand aussetzt. Sehr dicker Kesselsteinbelag führt aufgrund der hohen Wandtemperatur zu einer Verminderung der Streckgrenze des Werkstoffes. Die betroffenen Bauteile können je nach Richtung der Druckbeanspruchung im Kessel einbeulen oder eindellen und dies kann zum Versagen des Kessels (Kesselzerknall) führen.

Durch die isolierende Wirkung des Kesselsteins verringert sich der Wärmeübergang im Kessel. Die Austrittstemperatur des Rauchgases nimmt merklich zu und somit sinkt der Feuerungswirkungsgrad.

Im 19. und 20. Jahrhundert wurden Dampfkessel zumeist ohne Wasseraufbereitung betrieben. Der Kesselstein musste daher von Kesselklopfern mechanisch mit Spitzhämmern abgeschlagen werden. Die spezifische Wärmebelastung der Heizflächen der damals eingesetzten Walzen- und Flammrohrkessel war relativ gering und die Kessel hatten keine hinsichtlich von Kesselsteinablagerungen kritischen Bereiche, so dass diese Betriebweise möglich war. Moderne Dampfkesselkonstruktionen mit hohen Feuerungswirkungsgraden (Flammrohr-Rauchrohrkessel) können durch Kesselsteinablagerungen bereits nach kurzer Betriebszeit geschädigt werden. Daher ist eine Aufbereitung des Speisewassers mit Enthärtung zwingend erforderlich und im Regelwerk vorgeschrieben (z. B. TRD 611).

Siehe auch

Literatur

  • Karl J. Spurzem: Das Geheimnis der Schietgängs. in: Mare Die Zeitschrift der Meere, No. 66, Februar/März 2008, Seite 80; http://www.mare.de/index.php?article_id=562.
  • Fritz Mayr: Kesselbetriebstechnik. Verlag Dr. Ingo Resch, 10. Auflage 2003, ISBN 3-930039-13-3.
  • Friedrich Barth: Die Dampfkessel, Bau und Betrieb der Dampfkessel. Sammlung Göschen, Leipzig 1911.
  • VDI-Wärmeatlas, 3. Auflage, Düsseldorf 1977.

Einzelnachweise

  1. Otto-Albrecht Neumüller (Herausgeber): Römpps Chemie Lexikon, Frank'sche Verlagshandlung, Stuttgart, 1983, 8. Auflage, S. 1596−1600, ISBN 3-440-04513-7.

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