IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 8/2004, Seite 50 ff.

HEIZUNGSTECHNIK

Druckhaltung und Membrangefäße

Grundlagen - Berechnungsbeispiele - Erkenntnisse für die Praxis

E. Diehl

Das Thema Druckhaltung in geschlossenen Heizungssystemen wird in der Praxis vielfach stiefmütterlich behandelt. Die Folgen sind nicht ordnungsgemäß funktionierende Anlagen und verärgerte Kunden. Der nachfolgende Fachaufsatz beleuchtet die theoretischen Grundlagen zur Auslegung von Membranausdehnungsgefäßen.

Seit Jahrzehnten werden Membrangefäße eingesetzt, aber noch immer gibt es Probleme, weil es am Verständnis der Zusammenhänge mangelt. Die Folgen:

Beispiel Vordruck. Man ist sehr darauf bedacht, dass dieser nicht unter den statischen Druck abfällt, was natürlich nicht verkehrt ist. Aber darüber verliert man das aus den Augen, worauf es wirklich ankommt, nämlich die Vorlage. Es ist nicht der Vordruck, sondern die Vorlage, die über eine stabile Druckhaltung entscheidet. Mit der Vorlage steht und fällt die Druckhaltung. Die Vorlage hängt ab von

Der Vordruck ist nur einer neben anderen Einflussfaktoren. Wenn die Vorlage stimmt, dann kann der Vordruck auch unter dem statischen Druck liegen, ohne dass die Druckhaltung beeinträchtigt wird. In der Praxis aber wird bei Wartungsarbeiten der Vordruck in bester Absicht über den statischen Druck erhöht. Man weiß nicht, dass man damit unter Umständen das Gegenteil von dem erreichen kann, was man beabsichtigt. Einige Beispiele sollen den Einfluss des Vordruckes aufzeigen.

Das Gaspolster von Membranausdehnungsgefäßen nimmt allmählich ab, der Vordruck sinkt. Deshalb sind die Gefäße jährlich zu prüfen und gegebenenfalls aufzufüllen. Vor der Vordruckprüfung ist das Gefäß abzusperren und wasserseitig zu entleeren. Das setzt entsprechende Armaturen (Kappenventile) voraus.

1. Beispiel

Die Vorgaben: Anlage mit statischem Druck 1,5 bar. Anlagendruck im aufgeheizten Zustand 1,55 bar. Wenn diese Anlage auskühlt, dann fällt der Anlagendruck unter den statischen Druck ab. Folgen: Wassermangel in den obersten Anlagenteilen, Zutritt von Luft, kalte Heizkörper, Geräusche, Nachfüllen von Anlagenwasser und Entlüften, Korrosionen und Schäden an Pumpen.

Es genügt nicht, dass der Anlagendruck den statischen Druck übersteigt, er muss vielmehr auch im ausgekühlten Anlagenzustand den statischen Druck überragen. Konsequenz: Zuerst und vor allem ist der Anlagendruck richtig einzustellen und bei mangelhafter Druckhaltung zu überwachen. Wenn alles für die Druckhaltung Notwendige beachtet wird, dann ist die Druckhaltung einwandfrei. Wenn es dennoch notwendig wird, vorzeitig Wasser nachzufüllen, dann liegt ein Mangel vor, entweder bei der Gefäßgröße, dem Füll- oder Vordruck oder die Anlage ist irgendwo undicht.

Die Vorlage

Auch bei geschlossenen Anlagen geht im Laufe der Zeit etwas Wasser verloren. Der Anlagendruck nimmt allmählich ab. Deshalb sind Vorlagen notwendig. Die Vorlage ist eine Wasserreserve, die vom Membrangefäß aufgenommen und bei Bedarf an die Heizungsanlage abgegeben wird. Das Gefäß nimmt sowohl die Vorlage als auch die temperaturbedingte Volumenzunahme des Heizungswassers auf. Deshalb wäre es besser, von Membrangefäßen anstatt von Membranausdehnungsgefäßen zu sprechen, weil das die Ausdehnungsfunktion einseitig in den Vordergrund stellt, während die nicht weniger wichtige Vorlagenfunktion aus den Augen verloren geht. Hier ist eine der Ursachen für mangelhafte Druckhaltungen zu suchen.

Bild 1 zeigt an einem Beispiel die Funktionsweise des Membrangefäßes. Die Vorlage und die Volumenzunahme bilden zusammen das Nutzvolumen (Gleichung 2, Tabelle 4). Die Vorlage entsteht dadurch, dass die Anlage bis zu einem Druck gefüllt wird, der höher ist als der Vordruck. Ein noch so großes Gefäß ohne entsprechenden Fülldruck ergibt noch keine Vorlage.

Gefäßgröße und Fülldruck bestimmen die Größe der Vorlage. Für die Berechnung der Gefäßgröße wird die Vorlage zunächst als Prozentsatz des Anlagenwassers gewählt. Die Vorlage muss mindestens 0,5 % des Anlagenwassers betragen, jedoch nicht unter 3 Liter. Wie später unter Beispiel 3 gezeigt wird, sind reichliche Gefäßgrößen günstig. Es ist deshalb besser, die Vorlage zu 1,0 oder 2,0 Prozent anzusetzen.

Anlagenwasser 560 Liter. Auslegung 70/50°C. Volumenzunahme 1,67 %. Vorduck 1,0 bar. Enddruck 2,5 bar.

Tabelle 1: Welchen Einfluss hat die Vorlage auf die Gefäßgröße?

Vorlage (%)

Berechnete Gefäßgröße (Liter)

Gewählte Gefäßgröße (Liter)

0

22

25

1.0

35

35

2,0

48

50

3,0

61

80

Welchen Einfluss die Vorlage auf die Gefäßgröße hat, das zeigt an einem Beispiel die Tabelle 1. Die Vorlagen unterscheiden sich um nur je 1,0 Prozent. Dennoch führt jede Vorlage zu einer anderen Gefäßgröße. Größere Vorlagen sind gleichbedeutend mit größeren Gefäßen. Ein reichlich gewähltes Gefäß ist noch aus einem anderen Grund günstig. In geschlossenen Anlagen kommt es infolge unterschiedlicher Temperaturen zu Druckschwankungen. Reichlich gewählte Gefäße dämpfen diese Schwankungen. Und umgekehrt: Je heftiger der Manometerzeiger ausschlägt, desto mangelhafter ist die Druckhaltung.

Berechnungsgrundlagen

Der Anlagenwasserinhalt wird getrennt nach Heizkörpern, Wärmeerzeuger und Rohrleitungen berechnet. Stehen keine Unterlagen zur Verfügung, dann kann aushilfsweise nach Tabelle 2 gerechnet werden. Die Volumenzunahme des Anlagenwassers wird nach der mittleren Auslegungstemperatur ermittelt (Tabelle 3). Der statische Druck ist gleich der Höhenausdehnung vom Anschlussstutzen des Membrangefäßes bis zum höchsten Anlagenpunkt. 10 m Höhe können als 1,0 bar angesehen werden, z. B. 7 m entsprechen einem statischen Druck von 0,7 bar. Der Vordruck ist der Druck im Gaspolster des Gefäßes im noch nicht angeschlossenen Zustand. Üblicherweise wird der Vordruck gleich oder etwas höher als der statische Druck gewählt, z. B. stat. Druck 1,3 bar, Vordruck 1,5 bar. Das gilt für Anlagen mit Vorlauftemperaturen bis höchstens 100 °C.

Tabelle 3: Volumenzunahme in Prozent.

Temperatur °C

30

35

40

45

50

55

60

Volumenzunahme in %

0,40

0,57

0,75

0,95

1,17

1,41

1,67

Temperatur °C

65

70

75

80

85

90

Volumenzunahme %

1,95

2,24

2,54

2,86

3,20

3,55

Der Fülldruck ist der Druck, bis zu dem die Anlage mit Wasser gefüllt wird. Der Fülldruck ist abhängig von der Anlagentemperatur. Normalerweise bezieht er sich auf den nicht geheizten Anlagenzustand. Wird während des Heizbetriebes (Vorsicht!) nachgefüllt, dann gelten andere Fülldrücke. Der Fülldruck muss höher sein als der Vordruck, weil nur dadurch eine Vorlage entsteht, und sollte berechnet werden.

Der Enddruck entsteht durch das Aufheizen bis zur Endtemperatur, wodurch das Wasser sich ausdehnt und die Volumenzunahme in das Gefäß eindringt. Der Enddruck wird vom Ansprechdruck (Öffnungsdruck) des Sicherheitsventils begrenzt. Der Enddruck wird gewählt zu Ansprechdruck minus 0,5 bar.

Die Berechnungen erfolgen nach den Gleichungen der Tabelle 4. Maßgebend ist das Gesetz von Boyle-Mariotte (Gleichung 1).

P1 · V1 = P2 · V2

P   Druck
V   Volumen, hier Gasvolumen

Die anderen Gleichungen sind von diesem Gesetz abgeleitet. Bei allen Berechnungen sind die Drücke als absolute Drücke einzusetzen. Der absolute Druck ist der Druck plus 1 bar, z.B. ein Vordruck von 0,9 bar entspricht einem abs. Druck von 1,9 bar.

Berechnung einer Anlage

Die Berechnung erfolgt in 8 Schritten. Die Vorgaben: Anlagenwasser 970 Liter, Auslegung 70/50 °C, Vorlage 2 %, stat. Druck 1,3 bar, Vordruck 1,3 bar, Enddruck 2,5 bar.

1 - Anlagenwasser

970 L

2 - Vorlage

2,0 % VV 19,4 Liter

3 - Volum. Zunahme, mittl. Temperatur 60 °C,

1,67 % VZ 16,2 Liter

4 - erforderliche Nutzvolumen, Gleichung 2

VN = VV + VZ

VN = 19,4 + 16,2

VN 35,6 Liter

5 - erforderliche Gefäßgröße, Gleichung 3,

 

 


VG 103,8 Liter

6 - Gewähltes Gefäß

VG 110 Liter

7 - Da das Gefäß größer ist als berechnet, fällt auch die Vorlage größer aus. Gleichung 4.

 

 

 


VV 21,5 Liter

8 - Fülldruck, kalt, Gleichung 5.

= 2,86 bar absolut

 




PF 1,86 bar

Das Resultat der Berechnung sind die zwei Größen, auf die es letztlich ankommt, nämlich

Wenn diese zwei Größen stimmen, dann ist die Druckhaltung einwandfrei. Die erforderlichen Mindestdrücke werden automatisch eingehalten.

2. Beispiel

Die Vorgaben: Membrangefäß 50 Liter, Vordruck 1,5 bar, Enddruck 2,5 bar, stat. Druck 1,2 bar, Volumenzunahme des Anlagenwassers 8,5 Liter (Bild 1). Das Nutzvolumen wird nach Gleichung 6 berechnet.

 



VN 14,3 Liter

Gemäß Gleichung 2 beträgt die Vorlage 14,3 8,5

Der Fülldruck wird nach der Gleichung 5 ermittelt.

VV 5,8 Liter

 



PF 1,83 bar

Nach Jahren ist der Vordruck auf 0,9 bar abgesunken. Ist die Druckhaltung gestört? Eine genaue Untersuchung kommt zu dem Ergebnis, dass die Vorlage nicht kleiner, sondern größer geworden ist. Dazu gehört natürlich auch der richtige Fülldruck. Das Füllen der Heizungsanlage besteht aus unterschiedlichen Phasen. Während der Anlagendruck vom Vordruck bis zum stat. Druck ansteigt, dringt Wasser in das Gefäß ein, das für die Heizungsanlage keinen Nutzen erbringt und deshalb als Totvolumen bezeichnet wird. Die Wassermenge, die anschließend während des Weiterfüllens bis zum Fülldruck in das Gefäß einströmt, ist die Vorlage. Durch das Aufheizen bis zur vorgesehenen Endtemperatur vergrößert sich das Volumen des Anlagenwassers. Die Volumenzunahme wird vom Gefäß aufgenommen, wodurch der Anlagendruck bis zum Enddruck ansteigt.

Beim Enddruck setzt sich das Wasser im Gefäß aus drei Anteilen zusammen:

Auch in diesem Fall besteht das Nutzvolumen aus der Vorlage und der Volumenzunahme. Bild 2 zeigt die Funktionsweise des Membrangefäßes. Da der Vordruck kleiner ist als der statische Druck, wird das Nutzvolumen nach Gleichung 7 berechnet. Der Enddruck bleibt unverändert 2,5 bar.

 


VN 16,0 Liter

Die Vorlage ist damit 16,0 - 8,5

VV 7,5 Liter

Das Totvolumen berechnet man nach Gleichung 8.

 

 



VT 6,8 Liter

Den Fülldruck erhält man nach Gleichung 9.

 

 



= 2,66 bar abs PF 1,66 bar

Resultat: Der Vordruck ist gefallen, aber die Vorlage ist, richtigen Fülldruck vorausgesetzt, größer geworden. Das Gefäß ist noch immer voll funktionsfähig, die Druckhaltung noch so gut wie beim Vordruck 1,5 bar. Die Vorlage wird natürlich nicht in jedem Fall größer, wenn der Vordruck absinkt. Das muss in jedem einzelnen Fall berechnet werden.

3. Beispiel

Die Vorgaben: Anlagenwasser 680 Liter, Auslegung 75/55 °C, Mitteltemperatur 65 °C, Vorlage 1,0 % (= 6,8 Liter), stat. Druck 1,0 bar, Vordruck 1,0 bar, Enddruck 2,5 bar, Volumenzunahme 1,95 % (= 13,3 Liter).

Erforderliches Nutzvolumen 6,8 + 13,3
= Nutzvolumen


20,1 Liter

Erforderliche Gefäßgröße

 

Gefäßgröße

46,9 Liter

Gewähltes Gefäß

50 Liter

Reale Vorlage, Gleichung 4



8,1 Liter

Zu Vergleichszwecken wurde für die gleiche Anlage die Vorlage bei verschiedenen Vordrücken, aber für ein Gefäß 80 Liter berechnet (Tabelle 5). Das Resultat: Die Vorlage des Gefäßes 80 Liter ist bei Vordruck 0,3 bar größer als die Vorlage des Gefäßes 50 Liter bei vollem Vordruck 1 bar. Daraus lassen sich folgende Schlüsse ziehen:

Das tritt zu, solange der absolute Enddruck kleiner ist als das Zweifache des absoluten stat. Druckes.

4. Beispiel

Die Vorgaben: Anlagenwasser 280 Liter, Auslegung 70/50 °C, stat. Druck 0,4 bar, Ansprechdruck des Sicherheitsventils 2,5 bar, Gefäß 12 Liter, Vordruck 0,75 bar, Anlage gefüllt bis 1,0 bar.

Durch diesen Fülldruck entsteht eine Vorlage von 1,5 Liter. Das Aufheizen bis 70/50 °C lässt nach dem Gesetz von Boyle-Mariotte den Anlagendruck ansteigen bis 2,61 bar, was aber nicht eintritt, weil vorher das Sicherheitsventil öffnet. Die Druckhaltung ist gestört, ein einwandfreier Anlagenbetrieb nicht möglich. Resultat: Das Gefäß ist zu klein, ebenso die Vorlage. Der Enddruck ist zu hoch. Deshalb wird der Vordruck auf 0,4 bar abgesenkt und die Anlage bis 0,65 bar (kalt) gefüllt. Jetzt entsteht eine Vorlage von 1,82 Liter und ein Enddruck von 2,05 bar.

Fazit: Durch das Absenken des Vordruckes sowie ein genaues Rechnen kann dennoch eine knapp ausreichende Druckhaltung erwartet werden.

Umstellen von offenen zu geschlossenen Anlagen

In offenen Anlagen hat das Heizungswasser direkten Kontakt zur Umgebungsluft. Das Wasser nimmt Sauerstoff auf, was zu Korrosionen führt. Es ist mit angegriffenen bzw. geschwächten Anlagenteilen zu rechnen. Die Umstellung zur geschlossenen Anlage kann Undichtigkeiten zur Folge haben, da sie mit einem erheblichen Anstieg des Anlagendruckes verbunden ist.

Es ist deshalb angebracht, den Druckanstieg gering zu halten. Das geschieht durch eine auf diesen Zweck ausgerichtete Berechnung und entsprechende Wahl der Gefäßgröße. Der Druckanstieg kann sehr gering gehalten werden. Im Beispiel wird er auf 0,4 bar begrenzt. Der Vordruck wird auf die Höhe des statischen Druckes eingestellt.

5. Beispiel

Die Vorgaben: Offene Anlage, Auslegung 90/70 °C, Vorlage 1,2 %, stat. Druck 0,9 bar, Vordruck 0,9 bar, Druckanstieg maximal 0,4 bar, Enddruck 0,9 + 0,4 = 1,3 bar.

  • Anlagenwasser

550 Liter

  • Vorlage 1,2 %

6,6 Liter

  • Volumenzunahme 2,86 %

15,7 Liter

  • erforderliches Nutzvolumen 6,6 + 15,7

22,3 Liter

  • erforderliche Gefäßgröße



128 Liter

  • gewähltes Gefäß

140 Liter

Das Gefäß 140 Liter erlaubt eine größere Vorlage als 6,6 Liter. Da aber der Enddruck gering bleiben soll, wird darauf verzichtet und der Fülldruck mit 6,6 Liter Vorlage berechnet. Dafür fällt aber der Enddruck geringer aus als 1,3 bar.

Fülldruck


Fülldruck 1,0 bar

Der Enddruck wird in diesem Fall nach Gleichung 11 berechnet.

Enddruck 1,26 bar

Durch das Aufheizen der Anlage kann der Anlagendruck nur bis höchstens 1,26 bar ansteigen. Da aber die Auslegungstemperaturen in der Praxis kaum erreicht werden, bleibt der Enddruck noch unter 1,26 bar.

6. Beispiel

Die Vorgaben: Anlagenwasser 1050 Liter, Auslegung 75/55 °C, mittlere Temperatur 65 °C, Volumenzunahme 1,95 % (= 20,5 Liter), stat. Druck 1,2 bar, Gefäßgröße 80 Liter, Ansprechdruck 3,0 bar. Das Beispiel wird in zwei Versionen berechnet.

Version A.: Vordruck 1,2 bar, Fülldruck 0,3 bar über dem Vordruck. Ergebnis: Die Berechnung nach Boyle-Mariotte ergibt eine Vorlage von 9,6 Liter und einen Enddruck von 2,53 bar.

Version B: Der Vordruck wird um 0,3 bar über den stat. Druck erhöht. Fülldruck 0,3 bar über dem Vordruck. Ergebnis: Die Berechnung ergibt eine Vorlage von 8,6 Liter und einen Enddruck von 2,93 bar. Das Sicherheitsventil spricht an, die Durckhaltung ist nicht in Ordnung.

Es lassen sich weitere Schlüsse ziehen:

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