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Thema: Membranausdehnungsgefäße

a) Die Membrane liegt im Einbau-Zustand durch den Druck des Gaspolsters an die Gefäßwand an. Der Wasserraum ist vollständig leer (Vordruck = SH in bar + 0,2). b) Das Gaspolster wird durch das Füllwasser der Anlage teilweise zusammengedrückt (Wasservorlage, Fülldruck = SH in bar + 0,2 + 0,3). c) Das temperaturbedingte Ausdehnungswasser führt zu einem Druckanstieg. Es stellt sich ein Betriebs- bzw. Anlagendruck ein. Der maximale Anlagendruck soll jedoch 0,3 bar unter dem Ansprechdruck des SV liegen.

 

Das Volumen von Flüssigkeiten nimmt bei Temperaturerhöhung zu und verringert sich bei fallenden Temperaturen. Der Druck einer Flüssigkeit in einem geschlossenen System kann sich durch die Volumenausdehnung schon bei geringer Temperaturerhöhung sehr stark erhöhen. Wasser dehnt sich bei Erwärmung von 0 auf 100°C um ca. 4,3% aus. In geschlossenen Anlagen hat man hierbei das physikalische Problem, dass sich Wasser nicht bzw. nur ganz minimal komprimieren lässt. Bei dem Versuch, in eine geschlossene Stahlkugel mit 1 l Wasserinhalt nur 1 Tropfen Wasser pressen zu wollen, wäre ein Druck von mehreren 100 bar erforderlich. 

Um der Zerstörung von Anlagenteilen vorzubeugen, sind eine Druckhaltung und ein Druckausgleich notwendig. Die auftretenden Volumenänderungen zwischen der minimalen und maximalen Temperatur müssen möglichst druckneutral abgeführt bzw. zugeführt werden können. Dazu verwendet man Membran-Druckausdehnungsgefäße (MAG).

Membran-Druckausdehnungsgefäß (MAG)
Ein MAG muss verschiedene Aufgaben erfüllen:
Aufnahme des Ausdehnungswassers,
Druckhaltung (es darf kein Unterdruck zur Umgebung entstehen),
Wasserreserve (geringe Wasserverluste durch Undichtigkeiten sollen ausgeglichen werden).

Das MAG besteht meist aus einem Stahlgehäuse mit einer Elastomer-Membrane. Diese trennt das Gefäß in einen Gas- und Wasserraum.

Gasraum
Der Gasraum ist mit Luft oder Stickstoff vorgepresst. Der Druck soll mindestens dem statischen Druck der kalten Anlage am Membran-Druckausdehnungsgefäß entsprechen. Zur Sicherung der Druckhaltung ist der Vordruck jedoch um ca. 0,2 bar über den statischen Druck der Anlage zu pressen.

Wasserraum
Steigt der Anlagendruck über den Anfangsdruck (Vordruck) des MAGs an, wird das Luftpolster komprimiert und Wasser dringt in den Wasserraum ein. Sinkt der Druck wieder, drückt das Gaspolster hinter der Membrane das Wasser zurück in das Anlagensystem. Um eine Wasserreserve zu bilden, soll der Anlagenfülldruck ca. 0,3 bar über dem Vordruck des MAGs liegen. Die Funktionsweise ist den Bildern zu entnehmen.
Die Größenauswahl richtet sich nach dem Einbauort (Keller, Dach), dem Füllvolu-
men der Anlage sowie den vorgesehenen
Betriebstemperaturen. Grundsätzlich gilt: Ein zu klein gewähltes MAG, ein zu hoher Vordruck oder Fülldruck sowie zu hohe Anlagentemperaturen führen zu hydraulischen Anlagenproblemen. Meist tritt Überdruck auf, der durch das Sicherheitsventil abgebaut wird. Die Folge ist Wassermangel, der durch Auffüllen beseitigt wird. Das „Spiel“ beginnt von neuem.

Größenbestimmung von MAG
Für die Größenbestimmung sind 4 Faktoren erforderlich:
Anlagenvolumen VA,
Vorlauftemperatur ?v,
Anfangsdruck der Anlage pa,
Enddruck der Anlage pe.
Zudem soll das MAG zusätzlich zur Ausdehnungsmenge (Ve) noch eine aus-
reichende Wasservorlage (VV) aufnehmen, um geringfügige Leckverluste auszugleichen.

Anlagenvolumen
Das Anlagenvolumen setzt sich aus dem gesamten Füllvolumen bzw. den Wassermengen in Wärmeerzeugern, Rohrleitungen und Wärmeverbrauchern zusammen. Spezielle Einbauteile, z.B. Pufferspeicher mit großen Volumen, bedürfen einer besonderen Berücksichtigung. Ausdehnungsfaktoren für die Temperaturänderung können aus Tabellen entnommen werden.

Vorlauftemperatur
Dies ist die Temperatur, mit der die Anlage maximal betrieben werden könnte.

Anfangsdruck der Anlage
Der Gasvordruck des MAGs muss dem Anfangsdruck der Anlage (pa) und dem Anlagenaufbau entsprechen. Dieser setzt sich zusammen aus:

  • pst – dem statischen Druck aus dem Höhenunterschied zwischen höchstem Punkt der Anlage und der Aufstell-
  • ebene des MAGs,
  • pD – Dampfdruck nach Tabelle,
  • Druckwert pNPSH – der besonders bei tiefliegenden Heizungsanlagen mit geringem statischem Druck und bei Dachheizzentralen von Bedeutung ist,
  • Pdyn – dem dynamischen Druck, der sich jedoch nur auswirkt, wenn das MAG auf der Druckseite der Pumpe installiert ist.


Enddruck der Anlage
Dieser entspricht dem max. Arbeitsdruck der Anlage und soll 0,3 bar unter dem Ansprechdruck des Sicherheitsventils liegen.

Gasvordruck anpassen
Beim Anpassen des Vordruckes eines MAGs müssen die erforderlichen Daten wie statische Höhe, zu erwartender Betriebsdruck und Betriebstemperatur bekannt sein. Selbst der Einbauort im Keller oder in einer Dachheizzentrale spielt eine wichtige Rolle, wie auch das zu erwartende Ausdehnungsvolumen, das das Nutzwasservolumen eines MAGs nicht überschreiten darf. Der Ansprechdruck des Sicherheitsventils und die Pumpenleistung sind weitere wichtige Betriebsfaktoren. Die Vordruckhaltung ergibt sich aus:
p0 > pst + pD + 0,2 bar
p0 > 1 bar

Vorgehensweise

  1. Es ist das zu erwartende Ausdehnungsvolumen aus dem Anlagenfüllvolumen und der maximalen Temperaturspreizung zwischen der Fülltemperatur zur maximalen Vorlauftemperatur zu ermitteln.
  2. Die Volumenausdehnung kann berechnet oder mithilfe des Tabellenbuches in % abgelesen werden. In der Praxis werden 3% bis 4% angenommen.
  3. Der Vordruck muss höher als der statische Druck, jedoch niedriger als der Fülldruck sein. In der Praxis wird der statische Druck plus 0,2 bar als Vordruck genannt.
  4. Der Fülldruck wird aus der statischen Höhe plus einem Zuschlag von 0,5 bar gebildet.
  5. Die Wasservorlage ist mit 0,5 – 1% des Anlagenvolumens, mind. jedoch 3 l anzunehmen (MAG bis 15 l sind es 20% des Nennvolumens).
  6. Aus den verschiedenen Werten ergibt sich unter Berücksichtigung des Nutzvolumens in % die zu wählende Gesamt-Behältergröße.
  7. Zum Prüfen bzw. Aufbringen des Vordrucks muss die wasserführende Seite des MAGs drucklos gemacht werden.


Montage-Grundsätze
Bei der Montage sind die Sicherheitsvorschriften sowie die Angaben des Herstellers zu beachten:

  • Gefäßtemperatur so niedrig wie möglich (Temperaturdauerbelastung an der Membrane unter 70°C),
  • bei Anlagen mit hohen Wärmeträgertemperaturen ein Vorschaltgefäß vor dem Membranausdehnungsgefäß installieren, in dem sich die Temperatur schichtet und eine Abkühlung erfolgt, die Druckhaltung wird auf der Saugseite der Umwälzpumpe eingebunden,
  • Gefäß an die Rücklaufleitung anschließen, in der Nähe des Kessels,
  • Wärmezirkulation am Gefäß vermeiden und dieses vor intensiver Wärmestrahlung schützen,
  • das Wasser im Gefäß darf nicht mit zirkulieren,
  • MAG und Sicherheitsventil möglichst in der gleichen Höhe montieren,
  • Sicherheitsventil direkt über dem Wärmeerzeuger montieren,
  • Pumpe möglichst in den Vorlauf einbauen,
  • Anschlussleitung mit Entleerungs- bzw. Entlüftungsmöglichkeit ausrüsten,
  • Ausdehnungsgefäß gegen Anlage absperrbar montieren (Kappenventil),
  • bei mehreren Wärmeerzeugern mit Folgeschaltung jeden Wärmeerzeuger und -verbraucher separat mit MAG und sicherheitstechnischer Ausrüstung versorgen.

Inbetriebnahme

  • Installation durchspülen,
  • Entlüftungspunkte des MAGs öffnen,
  • Leitung entlüften,
  • Anlage langsam füllen (Fülldruck 0,2 bar höher als Vordruck),
  • beim Füllen entlüften,
  • Leitung zum MAG öffnen,
  • Entlüftungspunkte schließen,
  • Anlage ca. 12 Stunden aufheizen, dabei entlüften,
  • bei ca. 50°C Anlagentemperatur bis 0,5 bar über Vordruck des MAG nachfüllen.

MAG für Trinkwasseranlagen
Die MAGs müssen immer durchströmt sein. Die Membranen und die Innenbeschichtung müssen Anforderungen aus dem Lebensmittelbereich entsprechen.

Literaturnachweis: Fa. Flamco Wemefa GmbH, Velbert

 


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