Dampfinjektor oder Wärmetauscher: wann Direktdampfinjektion die richtige Wahl ist

Ein Dampfinjektor erhitzt eine Flüssigkeit, indem er Dampf direkt in sie hineinmischt. Ein Wärmetauscher hält Dampf und Produkt durch eine Wand getrennt. Am Austritt kann bei beiden dieselbe Temperatur stehen – aber nicht dasselbe Produkt, nicht dieselbe Kondensatbilanz und nicht dieselbe Regelaufgabe. Dieser Beitrag geht die Entscheidung so durch, wie sie in der Planung fällt: zuerst die Frage, ob Dampf überhaupt ins Produkt darf, dann Dampfqualität, Druck, Durchfluss und Medium, und zuletzt, welche Bauart von Dampfinjektor zu welcher Aufgabe passt.

Was ein Dampfinjektor anders macht als ein Wärmetauscher

Im Wärmetauscher kondensiert der Dampf an einer Heizfläche, die Wärme geht durch die Wand ins Produkt, und das Kondensat verlässt den Apparat über einen Kondensatableiter. Die Heizleistung hängt an Fläche, Temperaturdifferenz und Wärmeübergang – und damit auch daran, wie sauber die Heizfläche ist.

Bei der Direktdampfinjektion (DSI) entfällt die Wand. Der Dampf tritt in einer Mischzone in die Flüssigkeit ein und kondensiert dort vollständig. Die Wärme aus der Kondensation geht unmittelbar ins Produkt, das Kondensat wird Teil des Produktstroms. Daraus folgen drei Eigenschaften, die die ganze weitere Auswahl bestimmen:

• Es gibt keine Heizfläche, an der Produkt anbacken oder sich Belag bilden kann, der den Wärmeübergang verschlechtert.
• Es gibt keinen Kondensatrücklauf vom Erhitzer – und damit auch keinen Kondensatableiter an dieser Stelle.
• Die Temperatur reagiert ohne die Trägheit einer Wand und eines Apparatevolumens auf die Dampfmenge. Wie genau sie gehalten wird, hängt dann vor allem an Regelventil, Messstelle und Regelkreis.

Auf unserer Produktseite Dampfinjektoren finden Sie die Bauarten, die wir für Österreich und Südosteuropa liefern; die Herstellerangabe dort reicht bis 5.700 m³/h Durchfluss bzw. 105 barg.

Die erste Frage: Darf das Kondensat ins Produkt?

Diese Frage entscheidet mehr als jede andere. Jedes Kilogramm Dampf, das im Dampfinjektor kondensiert, ist danach ein Kilogramm Wasser im Produkt. Wie viel das ist, lässt sich vorab mit einer einfachen Energiebilanz abschätzen.

Ein Rechenbeispiel: Wasser soll von 15 °C auf 80 °C erwärmt werden, beheizt mit Sattdampf von rund 7 bar absolut. Je Kilogramm Wasser sind dafür etwa 272 kJ nötig (4,19 kJ/kg·K mal 65 K). Ein Kilogramm Dampf gibt beim Kondensieren und Abkühlen auf 80 °C rund 2.430 kJ ab (Enthalpie des Sattdampfs rund 2.763 kJ/kg, des Wassers bei 80 °C rund 335 kJ/kg). Das ergibt rund 0,11 kg Dampf je Kilogramm Produkt – auf 100 kg kommen also etwa 11 kg Wasser dazu. Die Rechnung verwendet Tabellenwerte für Sattdampf und Wasser; sie ist eine Abschätzung für die Vorauswahl, keine Herstellerangabe und keine Auslegung.

Daraus ergeben sich die typischen Ausschlussgründe:

• Konzentration ist Produkteigenschaft. Wenn Trockenmasse, Dichte oder Konzentration in engen Grenzen bleiben müssen und die zusätzliche Wassermenge nicht später wieder entfernt wird, scheidet die Direktdampfinjektion aus – oder die Wassermenge muss in der Rezeptur von vornherein eingerechnet werden.
• Geschlossene Kreisläufe wachsen. Wer einen Heizwasserkreis mit Direktdampf beheizt, muss die zugeführte Wassermenge laufend wieder abführen, sonst steigt der Füllstand.
• Bei Prozess- und Reinigungswasser stört die Verdünnung dagegen meist nicht. Hier gehört der Dampfinjektor zu den naheliegenden Lösungen.

Dampfqualität und Druck: was am Dampfinjektor ankommen muss

Weil der Dampf im Produkt landet, landet auch alles, was der Dampf mitbringt: Kesselwasserchemikalien, Rost, Partikel aus dem Netz, mitgerissenes Wasser. Für technisches Prozesswasser ist das oft unkritisch. Für Lebensmittel, Getränke oder pharmazeutische Anwendungen braucht es Dampf in einer Qualität, die für den Produktkontakt zugelassen ist – in der Praxis gefilterter Dampf oder Reindampf aus einem eigenen Erzeuger. Welche Anforderung gilt, legt der Betreiber nach seinen Produktvorgaben fest; das ist keine Frage, die der Injektor beantwortet.

Ebenso wichtig ist der Dampfdruck im Verhältnis zum Produktdruck. Der Dampf muss gegen den Druck der Flüssigkeit in die Mischzone eintreten. Reicht der Abstand nicht, schwankt die eingetragene Dampfmenge, die Kondensation wird unruhig und die Temperatur lässt sich schlecht halten. Den nötigen Mindestabstand gibt der Hersteller je Bauart an; er gehört in jede Anfrage.

Vor dem Dampfinjektor sitzen deshalb in aller Regel eine Absperrarmatur, ein Schmutzfänger, eine Entwässerung der Dampfleitung und das Dampfregelventil. Für die Absperrung finden Sie passende Bauarten unter Absperrventile, für die Mengenregelung unter Regelventile. Das Regelventil bestimmt maßgeblich, wie gut die Temperatur über den ganzen Lastbereich gehalten wird – seine Kennlinie und sein Stellverhältnis verdienen dieselbe Aufmerksamkeit wie der Injektor selbst.

Wann der Wärmetauscher die bessere Wahl bleibt

Ein Wärmetauscher ist immer dann im Vorteil, wenn Produkt und Dampf getrennt bleiben müssen. Neben der Verdünnung und der Dampfqualität gibt es zwei weitere Gründe, die in der Planung oft zu spät auftauchen.

Erstens die Kondensatbilanz des Kessels. Das Kondensat aus einem Wärmetauscher kann zum Kessel zurückgeführt werden, samt seiner Restwärme und seiner Wasseraufbereitung. Beim Dampfinjektor geht dieses Wasser mit dem Produkt aus dem Dampfsystem. Der Kessel braucht dafür entsprechend mehr aufbereitetes Zusatzwasser. Bei kleinen Dampfmengen fällt das kaum ins Gewicht, bei großen Dauerlasten gehört es in die Gesamtbetrachtung.

Zweitens das Teillastverhalten des Wärmetauschers. Regelt das Dampfventil bei geringer Last stark zurück, kann der Druck im Wärmetauscher unter den Gegendruck der Kondensatleitung fallen. Dann kann der Kondensatableiter nicht mehr abführen, Kondensat staut sich in der Heizfläche, die Leistung bricht ein, und es kommt zu Wasserschlägen. Gelöst wird das mit einer passenden Kondensatableitung, etwa mit Pumpen-Kondensatableitern oder einer Kondensatpumpe – Bauarten dazu finden Sie unter Kondensattechnik. Beim Dampfinjektor tritt dieses Problem nicht auf, weil es am Erhitzer kein Kondensat abzuführen gibt.

Die Entscheidung lässt sich damit auf eine kurze Liste bringen: Darf Wasser ins Produkt? Hat der Dampf die nötige Qualität? Reicht der Druckabstand? Und ist der Verlust des Kondensats für den Kessel tragbar? Viermal Ja spricht für den Dampfinjektor. Ein Nein bei einer der ersten drei Fragen spricht für den Wärmetauscher.

Konstanter oder schwankender Durchfluss: welche Dampfinjektor-Bauart

Ist die Entscheidung für die Direktdampfinjektion gefallen, kommt es auf den Betriebsfall an. Bei den Dampfinjektoren von Pick Heaters, die wir anbieten, unterscheiden wir im Wesentlichen danach, wie stark der Flüssigkeitsstrom schwankt.

• Erhitzer für konstanten Durchfluss sind für Anwendungen gedacht, bei denen die Flüssigkeitsmenge weitgehend gleich bleibt und nur die Temperatur geregelt wird – etwa die kontinuierliche Erwärmung von Prozesswasser. Die Dampfmenge regelt ein vorgeschaltetes Regelventil.
• Erhitzer für variablen Durchfluss sind für Anwendungen gedacht, bei denen die Abnahme schwankt, etwa bei Warmwasser für Reinigungs- oder Wascheinrichtungen, die je nach Bedarf zu- und abgeschaltet werden. Hier muss der Injektor auch bei kleinem Flüssigkeitsstrom sauber mischen.
• Sanitärheizer sind auf Anwendungen mit Produktkontakt in Lebensmittel- und Getränkeprozessen ausgerichtet, bei denen Reinigbarkeit und Werkstoffe im Vordergrund stehen.

Welches Stellverhältnis eine Bauart tatsächlich abdeckt, steht im Datenblatt des Herstellers. Für die Anfrage genügt zunächst die ehrliche Angabe von minimalem, normalem und maximalem Durchfluss – nicht nur des Auslegungspunkts.

Schlamm, Feststoffe, Lebensmittel: Sonderfälle bei der Direktdampfinjektion

Gerade dort, wo ein Wärmetauscher Probleme macht, spielt die Direktdampfinjektion ihre Eigenschaften aus. Schlämme, faserhaltige oder feststoffbeladene Medien setzen Heizflächen zu oder backen an. Für solche Medien gibt es Schlammerhitzer, deren Strömungsweg auf Feststoffe ausgelegt ist. Bei sehr großen Leistungen werden mehrere Injektoren zu gebündelten DSI-Systemen zusammengefasst.

Für die Auslegung bei solchen Medien zählen andere Angaben als bei Wasser: Feststoffanteil, Korngröße, Viskosität bei Eintritts- und Austrittstemperatur sowie die Frage, ob das Medium bei Erwärmung seine Eigenschaften ändert. Je vollständiger diese Daten sind, desto belastbarer ist die Auswahl.

Was wir für die Auslegung eines Dampfinjektors brauchen

Eine Anfrage lässt sich schnell und sicher beantworten, wenn folgende Angaben vorliegen:

• Medium, Feststoffanteil und Viskosität
• Durchfluss minimal, normal und maximal
• Eintritts- und gewünschte Austrittstemperatur
• Produktdruck an der Einbaustelle
• verfügbarer Dampfdruck und Dampfqualität
• ob die Verdünnung durch das Kondensat zulässig ist
• Nennweite und Anschlussart der Leitung

Für Inbetriebnahme und Wartung steht unsere eigene Serviceabteilung zur Verfügung, in Österreich ebenso wie in Tschechien, der Slowakei, Ungarn, Slowenien und Italien.

Häufige Fragen zum Dampfinjektor

Verursacht ein Dampfinjektor Dampfschläge?

Dampfschläge entstehen, wenn Dampfblasen unkontrolliert in kälterer Flüssigkeit zusammenfallen. Ein Dampfinjektor ist darauf ausgelegt, den Dampf in einer definierten Mischzone vollständig zu kondensieren. Voraussetzung ist, dass er innerhalb seines Betriebsbereichs läuft – also mit ausreichendem Druckabstand und innerhalb der vorgesehenen Durchflussgrenzen.

Wie viel Wasser kommt durch den Dampf ins Produkt?

Das ergibt die Energiebilanz aus Temperaturhub und Dampfzustand. Im Beispiel oben (15 °C auf 80 °C, Sattdampf rund 7 bar absolut) sind es rund 11 kg Wasser je 100 kg Produkt. Je größer der Temperaturhub, desto mehr.

Brauche ich hinter dem Dampfinjektor einen Kondensatableiter?

Am Erhitzer selbst nicht, weil der Dampf im Produkt kondensiert. Die Dampfzuleitung muss vor dem Regelventil trotzdem entwässert werden, damit kein Wasser mitgerissen wird.

Lässt sich ein bestehender Wärmetauscher durch einen Dampfinjektor ersetzen?

Wenn Verdünnung, Dampfqualität und Druckabstand passen, ja. Zu prüfen sind dann Regelventil, Temperaturmessung hinter der Mischzone und der Wegfall des Kondensatrücklaufs für den Kessel.

Wer liefert und betreut Dampfinjektoren in Österreich?

Ing. Wilhelm Friedrich Gesellschaft m. b. H., Gewerbegebiet 10, 2100 Stetten, Österreich, Telefon +43 2262 63510, armaturen@fribi.at.

Fazit: Erst das Produkt fragen, dann den Dampfinjektor wählen

Ob Dampfinjektor oder Wärmetauscher, entscheidet sich an vier Fragen: Darf Wasser ins Produkt, stimmt die Dampfqualität, reicht der Druckabstand, und ist der Kondensatverlust für den Kessel tragbar? Fallen die Antworten für die Direktdampfinjektion aus, bestimmt der Durchfluss die Bauart: konstant, variabel, sanitär oder für Schlämme. Schicken Sie uns Ihre Betriebsdaten – wir prüfen die Auswahl gemeinsam mit Ihnen und liefern Injektor, Regelventil und Absperrung aus einer Hand.

Steam injector or heat exchanger: when direct steam injection is the right choice

A steam injector heats a liquid by mixing steam directly into it. A heat exchanger keeps steam and product apart behind a wall. Both can deliver the same outlet temperature – but not the same product, not the same condensate balance and not the same control task. This article follows the decision the way it is made in plant design: first whether steam may enter the product at all, then steam quality, pressure, flow and medium, and finally which steam injector design suits which duty.

What a steam injector does differently from a heat exchanger

In a heat exchanger, steam condenses on a heating surface, the heat passes through the wall into the product, and the condensate leaves the unit through a steam trap. Heat output depends on surface area, temperature difference and heat transfer – and therefore also on how clean the heating surface is.

With direct steam injection (DSI) there is no wall. Steam enters the liquid in a mixing zone and condenses there completely. The heat released by condensation goes straight into the product, and the condensate becomes part of the product flow. Three properties follow from this and drive every further choice:

• There is no heating surface on which product can bake on or deposits can form that impair heat transfer.
• There is no condensate return from the heater – and therefore no steam trap at this point.
• Temperature responds to the steam flow without the inertia of a wall and a vessel volume. How closely it is held then depends mainly on the control valve, the measuring point and the control loop.

Our product page steam injectors lists the designs we supply for Austria and South-East Europe; the manufacturer’s figures given there extend to 5,700 m³/h flow and 105 barg.

The first question: may the condensate enter the product?

This question settles more than any other. Every kilogram of steam that condenses in the steam injector is a kilogram of water in the product afterwards. A simple energy balance gives a first estimate.

An example: water is to be heated from 15 °C to 80 °C with saturated steam at about 7 bar absolute. Each kilogram of water needs about 272 kJ (4.19 kJ/kg·K times 65 K). One kilogram of steam releases about 2,430 kJ when it condenses and cools to 80 °C (enthalpy of saturated steam about 2,763 kJ/kg, of water at 80 °C about 335 kJ/kg). That makes about 0.11 kg of steam per kilogram of product – roughly 11 kg of water added to every 100 kg. The calculation uses steam table values for saturated steam and water; it is an estimate for preselection, not a manufacturer’s figure and not a sizing.

This leads to the typical reasons for ruling direct injection out:

• Concentration is a product property. If dry matter, density or concentration must stay within narrow limits and the added water is not removed later, direct steam injection is ruled out – or the added water has to be allowed for in the recipe from the start.
• Closed loops grow. Heating a hot-water circuit with direct steam means the added water must be drained continuously, otherwise the level rises.
• For process and cleaning water dilution usually does not matter. Here the steam injector is one of the obvious solutions.

Steam quality and pressure: what has to reach the steam injector

Because the steam ends up in the product, so does everything the steam carries: boiler water chemicals, rust, particles from the network, entrained water. For technical process water this is often uncritical. Food, beverage or pharmaceutical applications need steam of a quality approved for product contact – in practice filtered steam or clean steam from a dedicated generator. Which requirement applies is set by the operator according to the product specifications; it is not a question the injector answers.

Equally important is the steam pressure relative to the product pressure. Steam has to enter the mixing zone against the pressure of the liquid. If the margin is too small, the steam flow fluctuates, condensation becomes unsteady and temperature is hard to hold. The manufacturer specifies the minimum margin for each design; it belongs in every enquiry.

Upstream of the steam injector there is therefore usually a shut-off valve, a strainer, drainage of the steam line and the steam control valve. Suitable shut-off designs are listed under shut-off valves, flow control under control valves. The control valve largely determines how well temperature is held across the whole load range – its characteristic and turndown deserve the same attention as the injector itself.

When the heat exchanger remains the better choice

A heat exchanger has the edge whenever product and steam must stay separate. Besides dilution and steam quality there are two more reasons that often surface too late in design.

First, the boiler’s condensate balance. Condensate from a heat exchanger can be returned to the boiler, together with its residual heat and its water treatment. With a steam injector this water leaves the steam system with the product. The boiler needs correspondingly more treated make-up water. For small steam flows this hardly matters; for large continuous loads it belongs in the overall assessment.

Second, part-load behaviour of the heat exchanger. When the steam valve throttles back hard at low load, the pressure in the heat exchanger can fall below the back pressure of the condensate line. The steam trap can then no longer discharge, condensate backs up into the heating surface, output collapses and water hammer occurs. The remedy is suitable condensate drainage, for example pump traps or a condensate pump – designs for this are listed under condensate technology. A steam injector does not have this problem because there is no condensate to remove at the heater.

The decision therefore comes down to a short list: may water enter the product? Does the steam have the required quality? Is the pressure margin sufficient? And can the boiler afford to lose the condensate? Four times yes points to the steam injector. A no to any of the first three points to the heat exchanger.

Constant or fluctuating flow: which steam injector design

Once direct steam injection has been chosen, the operating case decides. For the Pick Heaters steam injectors we offer, the main distinction is how strongly the liquid flow fluctuates.

• Constant flow heaters are intended for applications where the liquid flow stays largely the same and only temperature is controlled – for example continuous heating of process water. Steam flow is set by an upstream control valve.
• Variable flow heaters are intended for applications with fluctuating demand, such as hot water for cleaning or washing stations that are switched on and off as required. Here the injector must mix cleanly even at low liquid flow.
• Sanitary heaters are aimed at product-contact applications in food and beverage processes, where cleanability and materials come first.

The turndown a design actually covers is stated in the manufacturer’s data sheet. For the enquiry, an honest statement of minimum, normal and maximum flow is enough to start – not just the design point.

Sludge, solids, food: special cases for direct steam injection

Direct steam injection shows its properties precisely where a heat exchanger runs into trouble. Sludges and fibrous or solids-laden media clog heating surfaces or bake onto them. For such media there are sludge heaters whose flow path is designed for solids. For very high duties, several injectors are combined into bundled DSI systems.

Sizing for such media needs different data than for water: solids content, particle size, viscosity at inlet and outlet temperature, and whether the medium changes its properties when heated. The more complete these data, the more reliable the selection.

What we need to size a steam injector

An enquiry can be answered quickly and reliably when the following is known:

• medium, solids content and viscosity
• minimum, normal and maximum flow
• inlet and required outlet temperature
• product pressure at the installation point
• available steam pressure and steam quality
• whether dilution by the condensate is acceptable
• nominal size and connection type of the line

Our own service department handles commissioning and maintenance, in Austria as well as in the Czech Republic, Slovakia, Hungary, Slovenia and Italy.

Frequently asked questions about steam injectors

Does a steam injector cause water hammer?

Hammer occurs when steam bubbles collapse uncontrolled in colder liquid. A steam injector is designed to condense the steam completely in a defined mixing zone. The precondition is that it runs within its operating range – with sufficient pressure margin and within the intended flow limits.

How much water does the steam add to the product?

That follows from the energy balance of temperature rise and steam condition. In the example above (15 °C to 80 °C, saturated steam at about 7 bar absolute) it is roughly 11 kg of water per 100 kg of product. The larger the temperature rise, the more water.

Do I need a steam trap downstream of the steam injector?

Not at the heater itself, because the steam condenses in the product. The steam supply line still has to be drained upstream of the control valve so that no water is carried over.

Can an existing heat exchanger be replaced by a steam injector?

Yes, if dilution, steam quality and pressure margin allow it. The control valve, the temperature measurement downstream of the mixing zone and the loss of condensate return to the boiler then need to be checked.

Who supplies and supports steam injectors in Austria?

Ing. Wilhelm Friedrich Gesellschaft m. b. H., Gewerbegebiet 10, 2100 Stetten, Austria, phone +43 2262 63510, armaturen@fribi.at.

Conclusion: ask the product first, then choose the steam injector

Steam injector or heat exchanger comes down to four questions: may water enter the product, is the steam quality right, is the pressure margin sufficient, and can the boiler afford to lose the condensate? If the answers favour direct steam injection, the flow decides the design: constant, variable, sanitary or for sludge. Send us your operating data – we will review the selection with you and supply injector, control valve and shut-off valve from a single source.