Schwerkraftumlaufsperren und Rückflussverhinderer in der Haustechnik

Richard Kulesza*

Jeder Planer und Handwerker weiß um die Notwendigkeit einer Armatur, die ungewollte Rückströmungen verhindert oder durch Dichteunterschiede ausgelöste Zirkulationen unterbindet. Hingegen wird eine solche Armatur nicht immer mit der erforderlichen Sorgfalt ausgewählt und dimensioniert. Die Rede ist von Schwerkraftumlaufsperren und Rückflussverhinderern.

Aufbau und Bauarten

Die vom Aufbau verhältnismäßig einfache Armatur erfüllt eine Vielfalt von Aufgaben, z.B. fungiert sie als

Rückflusssperre (Bild 1),

Schwerkraftumlaufsperre (Bild 2),

Druckentlastungs- oder Überdruckventil,

Belüftungsventil bzw. als Vakuumbrecher

Kurzschlusssperre (Bilder 3 und 4),

Ansaugfußventil oder

Überströmventil.

Bild 1: Bei tiefliegendem Öltank und abgeschaltetem Brenner verhindert das Rückschlagventil ein Rückfließen aus dem Vorlauf.

Bild 2: Bei abgeschalteter Umwälzpumpe verhindert die Schließfeder der Armatur Schwerkraftzirkulation.

Bild 3: Einsatz des Rückschlagventils bei parallel angeordneten Pumpen zur Vermeidung von hydraulischen Kurzschlüssen.

Bild 4: Bei direktem Anschluss an eine Fernheizung verhindert die Armatur einen hydraulischen Kurzschluss zwischen Vor- und Rücklauf.

Je nach Aufgabe, die das Ventil zu erfüllen hat, sind für die Auswahl der Armatur folgende Angaben erforderlich: Anschlussart (Gewinde oder Flansch), Druckstufe, geplante DN, Werkstoff, Einbauort, Einbaulage, Strömungsrichtung (bei senkrechten Leitungen), Dichtheit am Abschluss, gegebenenfalls Abnahmen oder zus. Prüfungen sowie die Betriebsdaten (Medium, Betriebsdruck, Betriebstemperatur und Volumenstrom). Nach Kenntnis der Betriebsdaten kann die Bestimmung der Nennweite erfolgen. Es ist oft eine Balance zwischen dem noch vertretbaren Druckverlust und dem Öffnungsgrad des Ventilkörpers. Wird die Armatur als Schwerkraftumlaufsperre eingesetzt, so kommt bei der Auslegung erschwerend hinzu, dass hier ein Öffnungsdruck von ca. 15 - 20 mbar durch Federkraft gehalten werden muss.

In der Haustechnik finden in der Regel Rückflussverhinderer in der Druckstufe bis PN 16 und für Temperaturbereich bis 130°C Verwendung. Für Heizungskreisläufe sind es hauptsächlich Messingarmaturen mit Schraubverbindungen (Bilder 5 und 6), darüber hinaus als Zwischenflansch-Einklemmarmaturen (Bilder 7 und 8).

Bild 5: Schwerkraftumlaufsperre zur Verschraubung mit der Umwälzpumpe mittels Überwurfmutter.

Bild 6: Schwerkraftumlaufsperre zur direkten Verschraubung mit der Umwälzpumpe.

Dimensionierung

Im Allgemeinen werden Rückflussverhinderer nach der vorhandenen Rohrleitungsnennweite dimensioniert, den Abmessungen des Pumpendruckstutzens oder sonstiger vorhandener Anschlussstutzen angepasst. In den meisten Fällen wird jedoch nicht überprüft, ob der Rückflussverhinderer in Vollöffnung gelangt oder nicht.

Da aber der Öffnungsgrad eines Rückflussverhinderers abhängig ist von der Größe des Volumenstromes, können bei Nichtbeachtung dieses Punktes in der Praxis Probleme auftreten. So können sich z.B. bei einem Rückflussverhinderer, der aufgrund eines zu geringen Volumenstromes nicht in eine stabile Vollöffnung gelangt (Überdimensionierung) während des Betriebes Klappergeräusche und unter Umständen erhöhter Verschleiß einstellen. Wie diese Klappergeräusche entstehen und Möglichkeiten der Abhilfe, soll nachfolgend behandelt werden.

Bild 7: Rückflussverhinderer mit Ventilteller aus Kunststoff, besonders geräuscharm durch zusätzlichen O-Ring.

Bild 8: Rückflussverhinderer mit metallischem Ventilteller; der Zentrierring vereinfacht den Einbau.

Ein gewichts- oder federbelasteter Rückflussverhinderer (Rückschlagventil oder Rückschlagklappe) beginnt in einer Anlage zu öffnen, wenn eine bestimmte Druckdifferenz erzeugt wird. Dadurch entsteht eine Öffnungskraft, die der Schließkraft entgegenwirkt. Überwiegt die Öffnungskraft, öffnet die Armatur. Man nennt diese Druckdifferenz auch Öffnungsdruck. Dieser ist abhängig von der Vorspannung der Schließfeder, vom Gewicht des Abschlusselementes, von der Einbaulage und der Größe des Rückflussverhinderers.

Öffnungs- und Schließverhalten

Je nach Größe des Volumenstromes öffnet nun der Rückflussverhinderer vollständig oder nur teilweise. Beim Anfahren einer Anlage z.B. baut sich zunächst ein statischer Druck zwischen Druckerzeuger und Rückflussverhinderer auf. Nach Erreichen des Öffnungsdruckes und Überwindung der Schließkraft öffnet die Armatur. Bedingt durch den in dieser Phase vorhandenen - geringen - Volumenstrom entstehen in den Anlagenteilen vor dem Rückflussverhinderer geringe Druckverluste, sodass der Druck unmittelbar vor diesem etwas abfällt. Die Schließkraft überwindet nun die Öffnungskraft wieder und die Armatur schließt.

Dieser Vorgang kann sich so lange wiederholen, bis der Volumenstrom so groß ist, dass durch die zusätzliche dynamische Druckdifferenz die Schließkraft nicht mehr ausreicht, den Rückflussverhinderer zu schließen.

Die Klappergeräusche selbst entstehen durch das Aufschlagen des Kegels oder der Klappe auf den Sitz oder auf das Widerlager (Federkappe oder Anschlag). Manchmal geschieht dies in so schneller Folge, dass man es nicht mehr als Klappern identifizieren kann, sondern summende Töne hoher Frequenz zu hören sind. Treten derartige Geräusche ständig auf, ist das immer ein Zeichen von "zu großen" Rückflussverhinderern. Diese Art der Störungen beruhen einzig und allein auf falscher Auslegung.

Um diese Zustände abzustellen, gibt es mehrere Möglichkeiten: Eine besteht darin, die vorhandene Armatur gegen eine kleinere auszutauschen. Dies ist jedoch aufwendig. Außerdem scheidet die Wahl einer kleineren Nennweite dann aus, wenn die Druckverluste bei Volllast zu groß würden. Eine andere Möglichkeit - besonders dann, wenn die Geräusche nur beim An- oder Abfahren der Anlage oder während eines Teillastbetriebes auftreten - besteht in einer Verminderung der Schließkraft, indem z.B. eine schwächere Schließfeder verwendet wird.

Bild 9: Druckverlustdiagramm und Öffnungsgrad eines federbelasteten Rückschlagventils abhängig vom Volumenstrom.

Ist der Rückflussverhinderer in einer senkrechten Rohrleitung mit Durchfluss von unten nach oben eingebaut, so kann auf die Schließfeder ganz verzichtet werden. In diesem Fall sind Einschränkungen in flüssigkeitsführenden Systemen größerer Nennweiten hinsichtlich Druckstoßgefahren zu beachten. In Zweifelsfällen sollte hierzu der Hersteller der Armatur befragt werden.

Aus Bild 9 lässt sich erkennen, dass ein Rückflussverhinderer erst dann voll geöffnet ist, wenn der Schnittpunkt Volumenstrom/Druckverluste in einem linearen Teil der Kennlinie des Rückflussverhinderers liegt. Unterhalb des Vollöffnungspunktes (C) ist ein Klappern möglich.

Fazit

Auch ein einfaches, federbelastetes Ventil bedarf einer Auslegung. Stabiles Verhalten in der Strömung bei Volumenschwankungen zwischen 0 und 100% ist nicht realisierbar. Ähnlich wie bei Regelventilen, kann mit einer Nennweite nur ein bestimmter Bereich abgedeckt werden. Bei Beachtung dieser Gegebenheiten sind störende Geräusche und vorzeitiger Verschleiß ausgeschlossen.

*) Richard Kulesza, Produktbetreuung Armaturen/Technik bei Gestra GmbH, Bremen

B i l d e r : Gestra GmbH, Bremen

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