IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 18/1999, Seite 52 ff.

HEIZUNGSTECHNIK

Bedarfsgerechte Entlüftung in Heizungsanlagen

Ehrhardt Buscher; Klaus Walter* Teil 1

In IKZ-HAUSTECHNIK Ausgaben 21 und 22/98 haben die Autoren die Notwendigkeit einer bedarfsgerechten Druckhaltung in Heizungsanlagen beschrieben und entsprechende Systeme dargestellt. Dieser zweiteilige Beitrag befaßt sich mit der fachgerechten Entlüftung von Heizungsanlagen.

1. Einleitung

Heizungsanlagen leiden häufig unter unbekannten und unkontrollierten Druckhaltungs-Zuständen. Es treten dadurch unsichere Funktionsabläufe in der Anlagentechnologie auf. Die Auswirkungen sind vorwiegend in einem Fehlverhalten der Heizungsumwälzpumpe festzustellen. Deshalb müssen die Bereiche

bereits im Planungsstadium einer Heizungsanlage berücksichtigt werden.

Bild 1: Falsch positionierte Schnellentlüfter; bei Wassergeschwindigkeiten v > 0,1 m/s findet keine Entlüftung statt.

1.1 Luft in Heizungsanlagen

Unkontrollierter Lufteintritt in Heizungsanlagen ist zunächst immer eine Folge von Unterdruckzuständen in den höheren Anlagenabschnitten. Die wirksamste Gegenmaßnahme ist und bleibt die ausführlich beschriebene bedarfsgerechte Druckhaltung in Heizungsanlagen.

Bild 2: Luftsammelgefäße für horizontalen und vertikalen Einbau — Dimensionierungsempfehlung.

Unkontrollierter Lufteintritt führt zu Funktionsstörungen, Korrosionsprozessen und damit zu Schäden an Anlagenteilen. Insbesondere sind Komponenten mit Verschleißteilen, z.B. Umwälzpumpen, betroffen. Durch Luftpolster innerhalb des Rohrleitungssystems werden die Umwälzungsabläufe stark behindert. Die Wärmeverteilung wird gestört, eventuell sogar unterbrochen. In vielen Fällen sind diese Fehlfunktionen mit Geräuschbelästigungen, möglicherweise auch mit Kavitationen, verbunden.

1.2 Konsequenzen für Handwerk und Industrie

Nach Schätzungen sind weniger als 5 % der in Betrieb befindlichen Heizungsanlagen mit funktionierenden Luftabscheidesystemen ausgestattet. Unkontrollierter Lufteintritt kann aber vermeidbare Garantie- und Kulanzleistungen, insbesondere bei den Pumpenherstellern und -verarbeitern, zur Folge haben. Deshalb soll nachfolgend ausführlich auf die zu beachtenden wesentlichen Merkmale von Luftabscheidersystemen eingegangen werden.

Merke: Mehr als 50% der sogenannten Garantie- und Kulanzrückgaben bei Pumpen haben keinen Fehler, d.h. die Ursache einer Funktionsstörung wird fälschlicherweise in der Umwälzpumpe vermutet.

Bild 3: Entlüftung einer Überführung bzw. am höchsten Anlagenpunkt. Das Luftsammelgefäß soll immer in Fließrichtung des Wassers am Fallpunkt installiert werden.

2. Entlüftungsmethoden

Es ist üblich, an den höchstgelegenen Rohrleitungen der Heizungsanlage automatische Schnellentlüfter direkt am Rohr zu installieren. Bild 1 zeigt deutlich die Unwirksamkeit einer solchen Installation. Bei Wassergeschwindigkeiten über v = 0,1 m/s wird es für die im Wasserstrom transportierten Luftblasen keine Chance geben, durch die kleinen Bohrungen zu entweichen. Der im rechten Bildteil dargestellte Luftsammelraum ist gedanklich richtig, jedoch am falschen Platz eingebaut. Nur bei einer deutlichen Reduktion der Fließgeschwindigkeit ist eine Ausgasung physikalisch möglich.

Bild 4: Automatischer Schnellentlüfter ohne Lufteintrittssperre; bei Unterdruck im Heizungssystem wird diese Ausführung zum "Belüfter", Luft kann eindringen und zu Funktionsstörungen in der Heizung führen.

2.1 Luftsammelgefäße

Luftsammelgefäße, wie sie im Bild 2 dargestellt sind, ermöglichen eine effektive Verringerung der Fließgeschwindigkeit und somit eine gute Entlüftung. Nach praktischen Erfahrungen soll der Durchmesser der Gefäße (die Beruhigungsstrecke) etwa den dreifachen Durchmesser der Rohrleitung haben. Dadurch verringert sich die Wassergeschwindigkeit auf ca. 1/10 gegenüber der ursprünglichen Rohrleitung. Die Länge des Luftsammelgefäßes soll etwa das Neunfache der Rohrleitungsnennweite betragen. Die genauen Maßempfehlungen sind der Tabelle zu entnehmen.

Bild 5: Automatischer Schnellentlüfter mit Lufteintrittssperre; auch bei Unterdruck im Heizungssystem kann keine störende Luft eintreten.

Auf diese Luftsammeltöpfe können handelsübliche Schnellentlüfter aufgeschraubt werden, vorausgesetzt der Luftsammler sitzt nicht im oberen Anlagenbereich. Empfehlenswert ist aber die in den Zeichnungen dargestellte Lösung: Über einen Schwanenhals wird die Entlüftungsleitung nach unten zu einem zentralen Punkt geführt. Mittels eines Entlüftungs-Kugelhahnes oder eines KFE-Hahnes kann die Luft bei Bedarf abgelassen werden.

An den höchsten Anlagepunkten oder bei konstruktiv erforderlichen Überführungen sollen diese Luftsammelgefäße am Ende des waagerechten Leitungsstranges, also am sog. Fallpunkt (Bild 3) angeordnet werden.

Bild 6: Zentrifugal-Luftabscheider (flamco FLEXCON GmbH, Genthin); schwere Wassertropfen trennen sich von der leichteren Luft.

2.2 Schnellentlüfter

Bei den im Fachgroßhandel erhältlichen Schnellentlüftern gilt es, auf ein wesentliches Konstruktionsmerkmal zu achten. Hat er eine Lufteintrittssperre oder nicht? Die preiswertere Ausführung (Bild 4) schließt den Ventilsitz, wenn die Luft ausgetreten ist und der Wasserdruck den Schwimmkörper anhebt (linke Bildseite). Falls ein Unterdruck herrscht, sich also zu wenig Wasser im Heizungssystem befindet (rechte Bildseite), bleibt der Ventilsitz geöffnet. Luft dringt in das Heizungssystem ein, der "Schnell-ent-lüfter" wird zum "Schnell-be-lüfter". Wählt der Installateur jedoch eine Entlüfterausführung mit Lufteintrittssperre (Bild 5), so kann auch bei Unterdruck im System keine zusätzliche Luft eindringen (rechte Bildseite). Es muß aber darauf hingewiesen werden, daß Unterdruck im Heizungssystem an sich eine Betriebsstörung darstellt.

Bild 7: Entlüftungspumpe STAR-RSL 25/60 (WILO GmbH, Dortmund); durch die Ausnutzung der Zentrifugalkraft werden im Pumpengehäuse Wasser und Luft getrennt.

2.3 Zentrifugalentlüfter

Die bisher beschriebenen Wege, Luft aus der Heizungsanlage zu entfernen, beruhen auf der physikalisch bedingten Trennung gasförmiger Partikel von Flüssigkeiten durch Strömungsberuhigung. Die unterschiedliche Dichte von Wasser und Luft kann zusätzlich zur Trennung der Medien ausgenutzt werden (Bild 6). Die Wirkung des dargestellten Luftabscheiders beruht auf dem Prinzip einer Zentrifuge. Durch die tangential angeordneten Anschlüsse wird das Wasser in eine Kreiselbewegung versetzt. Infolge der Rotation des Wasserstroms wird das schwerere Medium Wasser gegen die Wand gedrückt, während sich das leichtere Medium (die in dem Wasser enthaltene Luft) in der Achse des Luftabscheiders sammelt. Durch den Schwimmermechanismus des auf dem Zentrifugaltopf montierten Entlüfters wird die Luft automatisch entfernt.

Bild 8: Grafische Darstellung des Henry-Dalton-Gesetzes. Das Gaslösungsvermögen des Wassers steigt mit Druckerhöhung und Temperatur-Verminderung; durch Druckentspannung und Temperatursteigerung scheidet Wasser Gase aus.

2.4 Entlüftungs-Pumpe

Nicht nur in den Rohrsträngen ist es möglich und sinnvoll, die im Heizungswasser umlaufende Luft abzuscheiden. Durch die rasanten Veränderungen der Druckverhältnisse innerhalb der Heizungsumwälzpumpe wird die mitgeführte Luft auseinandergerissen und in kleinste Luftbläschen zerteilt.

Eine spezielle Luftabscheide-Vorrichtung lenkt in der Entlüftungspumpe (Bild 7) das spezifisch schwerere Wasser durch die Zentrifugalbeschleunigung in das Pumpengehäuse, während die Luftanteile nach hinten in einen Sammelraum gelangen. Über einen handelsüblichen Schnellentlüfter werden die Gase abgeführt. Im Gegensatz zu den zuvor besprochenen Problematiken ist an diesem Anlagenpunkt die Gefahr, daß Luft eingeschnüffelt wird, äußerst gering.

Unabhängig von der Einbaulage und von der Förderrichtung der Pumpe kann das Luftsammelgehäuse immer so montiert werden, daß die Auslaßrichtung nach oben zeigt. Die dreistufig umschaltbare Pumpe der Nennweite 25 (R 1) kann Förderhöhen bis H = 5 m und Volumenströme bis Q = 3,5 m3/h abdecken. Die Pumpe fördert normales Heizungswasser gemäß DIN 2035 im Temperaturbereich von —10 °C bis +110°C, wobei Wasser/Glykol-Gemische im Verhältnis von max. 1 : 1 zugelassen sind. Ab 20 % Beimischung sind die Förderdaten zu überprüfen, weil sich Dichte und Viskosität des Mediums ändern.

Bild 9: Mikroblasen-Luftabscheider (Spirotech b.v., Düsseldorf); schon unterhalb der Sättigungsgrenze werden die im Wasser gelösten Luftanteile abgeschieden.

3. Gase im Heizungswasser

Luft kann durch mindestens vier verschiedene Ursachen in das Heizungswasser eindringen. Es handelt sich dabei um

Dem letzten Punkt sei besondere Aufmerksamkeit gewidmet.

Bild 10: Einbau eines Mikroluftblasenabscheiders im Vorlauf einer Zentralheizung (Spirotech b.v., Düsseldorf).

Denn jede, auch jede geschlossene Heizungsanlage, steht indirekt mit der Atmosphäre in Verbindung.

Merke: Jede Heizung ist wasserdicht, keine Heizung ist gasdicht!

Die Tatsachen, die hinter dieser provozierenden Aussage stehen, werden häufig übersehen. Während Metallrohre als gasdicht bezeichnet werden können, ist die Gasdurchlässigkeit (Permeabilität) von Kunststoffrohren, Dichtungen und Schläuchen häufig nicht vernachlässigbar. Auch die Stopfbuchsen der verschiedenen Armaturen lassen Luft in das Anlagenwasser gelangen.

Die Mengen sind nur schwer quantifizierbar. Zwar sind auf diesen Gebieten in den letzten Jahren erhebliche Qualitätsfortschritte gemacht worden, die Physik läßt sich aber keineswegs ganz außer Kraft setzen. Fest steht, daß Gase immer in Richtung der geringeren Konzentration diffundieren. Dieser Prozeß setzt sich so lange fort, bis die temperatur- und druckabhängige Sättigung des Heizungswassers erreicht ist.

Bild 11: Luft-/Wasser-Trennung durch Gefäßfüllung mit ringförmigen Materialien. Zweck ist eine Oberflächenvergrößerung, an der sich Luftblasen abscheiden (flamco FLEXCON GmbH, Genthin).

3.1 Das Gesetz von Henry

Die Bestandteile der Luft (hauptsächlich Sauerstoff und Stickstoff) werden durch das Wasser unterschiedlich und abhängig von der Wassertemperatur und dem Anlagendruck absorbiert (Bild 8). Der englische Naturwissenschaftler W. Henry (1774 — 1836) erkannte bereits diese Zusammenhänge. Es handelt sich bei dem in der Heizung umgewälzten Wasser also physikalisch um eine Lösung, in der die Luftanteile als Mikroblasen vorhanden sind. In wissenschaftlichen Versuchen konnten sie erst bei 110facher mikroskopischer Vergrößerung sichtbar gemacht werden. Die gängige Vorstellung, daß größere Luftblasen mit dem Wasser mitgeführt werden, ist also unterhalb des Sättigungspunktes nicht richtig.

Aus dem Diagramm lassen sich wichtige Erkenntnisse aus der Physik ableiten, nämlich die Druck- und Temperaturabhängigkeit der Luftsättigung im Wasser. Bei normalem Luftdruck (1 bar absolut) gilt z. B.:

Durch die betriebsbedingten Veränderungen der Heizwasser-Temperaturen zwischen Vor- und Rücklauf, Vollastheizung im Winter und Teillastheizung in den Übergangszeiten sowie der abgesenkten Betriebsweise in der Nacht wird die Anreicherung des Wassers mit Luft ständig schwanken. Hinzu kommt noch die anlagenbedingte Veränderung des Heizwasser-Systemdrucks

Mit einer immerwährenden Anreicherung und nachfolgenden Abgabe von Luftpartikeln muß also stets gerechnet werden.

3.2 Mikro-Luftblasen-Abscheider

"Das permanente Vorhandensein von Luft in Zentralheizungen und ähnlichen Anlagen ist ein unhaltbarer Zustand, denn nicht gelöste Luft wirkt sich negativ auf die Strömung im Wasserkreislauf aus. Die Wärmeabgabe wird beeinträchtigt, die Förderhöhe der Pumpe nimmt ab, und es besteht die Gefahr, daß die Lager der Umwälzpumpe nicht ausreichend vom Wasser geschmiert werden. Außerdem kommt es zu Korrosion."

Diese Überlegungen schrieb schon 1973 der niederländische Professor J. K. Nieuwenhuisen.

Es ist also sinnvoll, die Luftanteile bereits nahe der Sättigungsgrenze abzufangen. Bild 9 zeigt eine geeignete Lösung. Ein speziell entwickeltes Gewebe innerhalb eines Beruhigungstopfes bewirkt eine optimale Abscheidung von Luft und Mikroblasen. Dieser Abscheider mit automatischer Entlüftung (und wahlweise auch Entschlammung) ist schon für kleine Heizungsanlagen sinnvoll.

Bild 12: Luftabscheider komplett mit Entlüfter und Sicherheitsgruppe (Meibes GmbH, Burgwedel).

Solche Mikroluftblasenabscheider müssen jeweils an der wärmsten Stelle der Anlage installiert werden. Das ist bei einer Zentralheizung der Punkt, an dem das Wasser den Kessel verläßt (Bild 10). Wegen der höchsten Temperatur hat hier das Wasser das geringste Gaslösungsvermögen, das Maximum an freigesetzter Luft kann also abgeschieden werden.

3.3 Absorptions-Luftabscheider

In der Heizungstechnik werden zur Trennung von Flüssigkeiten und Gasen u.a. Sammelgefäße eingesetzt, die mit kleinen Ringen aus Keramik oder Metallen gefüllt sind (Bild 11). Durch die noch besonders geformten Ringe wird eine mehr als tausendfach vergrößerte Benetzungsfläche für das Wasser geschaffen.

Parallel mit der Wasserberuhigung erfolgt eine erheblich verbesserte Luftabscheidung. Selbst kleinste Mikroblasen, die sich im Wasser befinden, bleiben an der Oberfläche der sog. PALL-Ringe haften. Weil der Wasserstrom im oberen Teil des Beruhigungstopfes völlig zur Ruhe kommt, können größere Blasen zusammenwachsen und in die darüberliegende Luftkammer aufsteigen.

Bild 13: Silentgruppe, bestehend aus Schnellentlüfter, Sicherheitsgruppe, Umwälzpumpe, Schwerkraftbremse, Thermometern und Absperrarmaturen sowie kompletter Wärmedämmung (Meibes GmbH, Burgwedel).

3.4 Gleichrichter

Verschiedene Hersteller haben sich mit dem Problem der Luftabscheidung befaßt und spezielle Baugruppen entwickelt. Hier sei ein Beispiel (Bild 12) beschrieben.

Ein relativ kleiner Stahl-Behälter (184 x 114 x 300 mm) wird direkt am Vorlaufstutzen des Heizkessels montiert. Durch intelligente Einbauten (Prallplatte, Beruhigungszone, Gleichrichter) wird das Heizungswasser umgelenkt, beruhigt und entgast. Die Merkmale sind eine sehr hohe Entlüftungsrate bei geringem Druckverlust und langjährige Funktionssicherheit.

Um die Kosten für das zu verarbeitende Material, den Platzbedarf und den Lohnaufwand gering zu halten, sind an dem Entgasungsbehälter der Schnellentlüfter und die vorgeschriebene Kessel-Sicherheitsgruppe bereits montiert. Ein weiterer Schritt zur Verringerung des Montageaufwandes bei gleichzeitig verbürgter Funktionssicherheit wäre die kombinierte Verwendung mit einer isolierten Baugruppe (Bild 13), die die Umwälzpumpe, 2 Thermometer und zwei Absperrhähne enthält.

3.5 Dachzentralen

Wenn der Wärmeerzeuger, der Heizkessel, in einer Dachzentrale installiert ist, so ergeben sich für die Ableitung mitgeführter Gase besonders günstige Bedingungen nach dem Henry-Gesetz: Am Kesselaustritt herrscht die höchste Wassertemperatur im System und der statische Druck ist der geringste. Der notwendige MAG-Druck von 0,5 bar und der Mindest-Systemdruck von 1,0 bar dürfen jedoch nicht unterschritten werden.

4. Druckstufen-Entgasung

In Großanlagen der Kraftwerks- und Fernwärmetechnik werden überwiegend Verfahren der thermischen Entgasung eingesetzt. Dabei werden Luftanteile bei Temperaturen knapp über 100 °C aus dem Kesselspeisewasser ausgetrieben. Solche Methoden kommen für mittlere und kleinere Heizungsanlagen wegen des technischen und finanziellen Aufwandes nicht in Frage.

Andererseits ist der Einsatz von Membran-Druckausdehnungsgefäßen (MAG) nach DIN 4751 und DIN 4807 auf Anlagen bis 15 m Höhe begrenzt. Bei höheren Wohn- und Verwaltungsgebäuden müssen andere Wege der Druckhaltung gefunden werden.

Bild 14: Teilstrom-Entgasung (OTTO HEAT GmbH). Das im Entspannungsbehälter drucklos gespeicherte Wasser hat die geringste Gaslöslichkeit.

4.1 Heizungswasser-Teilströme

Das im Bild 14 dargestellte Prinzip speist zeit- und druckgesteuert einen optimierten Teilstrom des Heizungswassers in ein druckloses Gefäß (links im Bild). Hier am Ort des niedrigsten Druckes, also der geringsten Gaslöslichkeit, werden die Gase ausgeschieden und nach oben ausgeschleust.

Mittels einer Pumpe wird das entspannte — und dadurch entgaste — Wasser wieder auf den im Heizungssystem herrschenden Druck gebracht. Durch eine intelligente Regelungstechnik kann so ein Druckabfall im System erkannt und durch eine entsprechende Menge — ebenfalls entgasen — Nachspeisewasser ausgeglichen werden. Je nach Anlagengröße werden diese Funktionseinheiten als Ein-Pumpen- oder Zwei-Pumpen-Stationen angeboten. In ihnen sind multifunktionale Abläufe (Druck halten, Entgasen, Nachspeisen, Wechsel- und Störumschaltung, Intervallschaltungen und Laufzeitüberwachung) bereits vorprogrammiert. Aktueller Technik entsprechend ist die Busfähigkeit durch eine Schnittstelle gegeben.

Nach der Inbetriebnahme der Heizungsanlage werden in kurzen Intervallen (Dauerentgasung) die eingeschleusten Luftpartikel ausgetrieben. Wenn das System weitgehend entgast ist, wird durch eine längere Taktzeit der Intervalle der Energieverbrauch vermindert. Denn während in dem Entgasungsbehälter das Wasser drucklos ist, teils auch mit Unterdruck gearbeitet wird, herrscht in der Heizungsanlage je nach Gebäudehöhe ein Überdruck von 1,5 bis 5,0 bar, auf den das Teilkreiswasser wieder gepumpt werden muß.

Bild 15: Schematische Darstellung der Druckstufen-Entgasung (PNEUMATEX GmbH, Bad Kreuznach). Phase A: Behälterfüllung unter Anlagendruck, Phase B: Druckreduzierung und Wasser-Entgasung, Phase C: Abführen der ausgeschiedenen Gase.

4.2 Entgasungsablauf

Im Bild 15 ist der prinzipielle, dreiphasige Ablauf der Teilstrom-Entgasung dargestellt: In der ersten Phase (A) wird der Behälter (2) mit gasreichem Anlagenwasser gefüllt, welches durch das geöffnete Magnetventil (3) strömt. Die Pumpe (1) läuft dabei. Danach, in der Phase B, schließt das Magnetventil (3), die Pumpe (1) erzielt einen Unterdruck im Behälter (2). Das führt dazu, daß die Gase aus dem Wasser entweichen und sich im oberen Behälterteil sammeln.

In der dritten Phase (C) öffnet das Magnetventil (3) wieder, während die Pumpe (1) abgeschaltet wird. Über die Spezialarmaturen (4 u. 5) entweicht das Gas.

Fortsetzung folgt

* Ehrhardt Buscher, Leiter Marketing-Engeneering der Wilo GmbH, Dortmund; Klaus Walter, langjähriger Schulungsingenieur bei heizungstechnischen Industrieunternehmen.

[Zurück]   [Übersicht]   [www.ikz.de]