IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 20/2000, Seite 32 ff.


HEIZUNGSTECHNIK


Druckabsicherung von Heizungsanlagen mit Membranausdehnungsgefäßen

Dipl.-Ing. Heinrich Mörchen*    Teil 1

Heizungsanlagen müssen, um sie sicher zu betreiben, wirksam gegen unzulässigen Druck abgesichert werden. Voraussetzung hierfür ist die Kenntnis der unterschiedlichen Betriebszustände und der Druckverteilung in einer Anlage. Die einzelnen Bauelemente können so auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sicher bestimmt werden.

Die Kenntnis der Druckverteilung im Heizungswassernetz hilft unbeabsichtigte Unterdrücke zu vermeiden. Diese könnten zu Lufteinbrüchen in die Heizungsanlage mit der Folge von Korrosionsschäden und/oder Störungen des Wasserumlaufes führen.

Die Druckverteilung ist besonders bei Heißwasserheizungen von zentraler Bedeutung. Eine Unterschreitung des Sättigungsdruckes führt nämlich zwangsläufig zu einer Verdampfung mit teilweise erheblichen Betriebsstörungen. Die Hauptgefahr besteht aber durch die schlagartige Kondensation des Wasserdampfes. Hierdurch kann nicht nur die Heizungsanlage selber beschädigt werden, sondern auch Menschen sind in diesen Fällen extrem gefährdet.

Bild 1: Spezifisches Volumen in dm3/kg bei drei Temperaturen.

Thermisches Dehnungsverhalten von Wasser

Um die Größe eines Ausdehnungsgefäßes zu bestimmen, muss das thermische Dehnungsverhalten des Wassers berücksichtigt werden. Wasser besitzt nämlich keinen konstanten Ausdehnungskoeffizienten. Das spezifische Volumen v von Wasser vergrößert sich bei Erwärmung nach der Beziehung:

Die Zahlenwerte für die spezifischen Volumen v sind den Wasserdampftafeln zu entnehmen, die in Fachbüchern zu finden sind. Beachtet werden muss aber, dass diese Werte nur für reines Wasser gelten. Wasserzusätze, etwa Frostschutzmittel, können die Eigenschaften des Wassers teilweise erheblich verändern.

In der Heizungstechnik und bei der Warmwassererzeugung beträgt die Temperatur des kalten Wassers meistens t1 = 10C. Bei einer Erwärmung auf beispielsweise t2 = 75C vergrößert sich das spezifische Volumen von v1 = 1,0004 dm3/kg auf v2 = 1,0258 dm3/kg, d.h. die Volumenzunahme beträgt ca. 2,54%. Eine Heizungsanlage mit V0 = 10 m3 Wasserinhalt im kalten Zustand besitzt dann ein Ausgleichsvolumen DV von:

In dem vorstehenden Beispiel wurde angenommen, dass sich das Wasser bis zu der Temperatur t2 erwärmt. Die Frage stellt sich aber, welche Temperatur ist im praktischen Betrieb für t2 konkret zu wählen?

Die maximale Betriebstemperatur t2 bei Warmwasserheizungen wird als Mitteltemperatur zwischen Vor- und Rücklauftemperatur bestimmt. Bis zu einer Temperaturspreizung von 20 K kann hier das arithmetische Mittel benutzt werden. Bei größeren Temperaturspreizungen empfiehlt es sich, die Ausdehnung der Wasserinhalte von Vor- und Rücklauf gesondert zu berechnen. Bei Wärmespeichern in Warmwasserheizungen wird die maximale Speicherbetriebstemperatur der Berechnung des Ausgleichsvolumens zugrunde gelegt.

Beispiel:

Gegeben: Heizung mit tV = 90C und tR = 70C

Gesucht: Endtemperatur t2

Lösung: Arithmetische Bestimmung der Endtemperatur t2 weil Dt 20 K.

Bei tV = 90C ist vV = 1,0360 dm3/kg

Bei tR = 70C ist vR = 1,0228 dm3/kg

Bei t2 = 80C ist v2 = 1,0294 dm3/kg

Bild 1 zeigt die Lösung auf zeichnerischem Weg.

Die Druckverteilung in einer Warmwasserheizung

Die Kenntnis der Druckverteilung in Warmwasserheizungen ist wichtig für die Auswahl und Dimensionierung der einzelnen Bauelemente. Beispielsweise können u.U. teure Regelventile mit einer geringeren Nenndruckstufe gewählt werden. Ebenso können Störungen im Heizungsnetz durch Verdampfung oder durch Lufteinbruch erkannt und rechtzeitig verhindert werden.

Die Drücke in einer Heizungsanlage sind vom betrachteten Betriebszustand und vom Messort abhängig. Im Prinzip sind zwei Betriebszustände zu unterscheiden.

Bild 2: Druckverteilung in einem waagerechten Heizungsnetz mit offfenem Ausdehnungsgefäß.

In Bild 2 sollen die Zusammenhänge an einem einfachen Anlagenschema erläutert werden. Ein Heizungskreislauf besteht aus einem Kessel als Wärmeerzeuger, einer Umwälzpumpe und einem Heizkörper sowie aus den erforderlichen Rohrleitungen. Alle einzelnen Bauelemente liegen in einer waagerechten Ebene. Die Druckhaltung in der Anlage wird mit Hilfe eines hochliegenden offenen Ausdehnungsgefäßes vorgenommen. Das Ausdehnungsgefäß wird am Punkt A an die Heizung angeschlossen. Der Wasserspiegel des Ausdehnungsgefäßes befindet sich in der Höhe hR über der Ebene des Heizkreises.

Solange die Pumpe nicht eingeschaltet wird, ist der Druck in der Heizkreisebene gleich dem Ruhedruck. Wenn jedoch die Pumpe zugeschaltet wird, ergeben sich, abhängig vom Messort, im Beharrungszustand unterschiedliche Betriebsdrücke.

Bild 3: Druckverteilung in einem waagerechten Heizungsnetz mit geschlossenem MAG vor der Umwälzpumpe.

Die Betriebsdrucklinie 1 liegt zum Teil unterhalb und oberhalb der Ruhedrucklinie 1. Nur im Punkt A, dem Anbindungspunkt der Druckhaltung, hat die Betriebsdrucklinie die Höhe der Ruhedrucklinie. Dieser Punkt wird durch die Ab- oder Zuschaltung der Pumpe nicht beeinflusst. Allgemein bezeichnet man deshalb diesen Punkt als "neutralen Punkt". Bei näherer Betrachtung des Beispieles fällt weiter auf, dass die Betriebsdrucklinie nur zwischen Pumpeneingang und Pumpenausgang ansteigt. Am Pumpeneingang (Saugseite) zeigt die Betriebsdrucklinie den niedrigsten, am Pumpenausgang (Druckseite) den höchsten Betriebsdruck an. Sieht man von diesem Sonderfall der Pumpe, hier steigt der Druck infolge der Zufuhr von Bewegungsenergie an, einmal ab, dann fällt die Betriebsdrucklinie ständig. Der Anschlusspunkt der Druckhaltung, die Ruhedruckhöhe und die Druckverluste im Heizungsnetz bestimmen zusammen mit der Pumpenförderhöhe Lage und Verlauf der Betriebsdrucklinie 1.

Das letzte Beispiel soll jetzt etwas abgeändert werden. Anstelle des hochliegenden offenen Ausdehnungsgefäßes soll jetzt, am gleichen Anbindungspunkt A, ein tiefliegendes Membrandruckausdehnungsgefäß (MAG) angeschlossen werden (Bild 3). Bei Erhöhung der Wassertemperatur im Heizkreis dehnt sich das Heizungswasser aus und presst das Stickstoffpolster im Ausdehnungsgefäß zusammen. Abhängig vom Anstieg des Druckes im Stickstoffpolster verschiebt sich die Ruhedrucklinie und mit ihr die Betriebsdrucklinie parallel nach oben. Die Druckverluste im Rohrnetz und die Pumpenförderhöhe verändern sich praktisch nicht. Eine Druckerhöhung um 0,1 bar entspricht somit einer senkrechten Parallelverschiebung der Drucklinien um 1 m.

Der Verlauf der Betriebsdruckkennlinie und des Ruhedruckes kann aber auch durch Verlegung des Anbindepunktes von A nach A1 beeinflusst werden (Bild 4). Wenn außer der Verlegung des Anbindepunktes keine weitere Veränderung erfolgt, also insbesondere der Druck im Ausdehnungsgefäß gleich bleibt, ergibt sich im Ergebnis eine horizontale Parallelverschiebung.

In den vorstehenden Beispielen wurde immer von einer Heizungsanlage ausgegangen, die sich in einer einzigen Ebene befindet. In der Regel werden Heizungsanlagen jedoch so gebaut dass sie unterschiedliche geodätische Höhen besitzen. Im Prinzip lassen sich für diese Anlagen unschwer Druckdiagramme aufstellen. Besondere praktische Bedeutung bekommen diese Diagramme bei der Planung von Dachheizzentralen. Die Drücke sind dann jeweils in mWS umzurechnen und graphisch aufzutragen; 1 mWS 0,1 bar.

Hinweis: Allgemein muss darauf verwiesen werden, dass ein zu geringer Druck schädlichere Auswirkungen hat als ein in Grenzen zu hoher Betriebsdruck: Verdampfungsgefahr!

Bild 4: Druckverteilung in einem waagerechten Heizungsnetz mit geschlossenem MAG hinter der Umwälzpumpe.

Es werden verschiedene Arten von Druckhaltungen verwendet. Allgemein kann jedoch festgestellt werden, dass der Betriebsdruck in der Anlage fast überall geringer ist als der Ruhedruck, wenn die Druckhaltung auf der Pumpendruckseite in das Heizungssystem wirkt. Wird dagegen der Anschlusspunkt der Druckhaltung auf die Pumpenzulaufseite angeordnet, so ist der Betriebsdruck fast überall höher als der Ruhedruck.

Druckhaltung und Volumenausgleich

Die Druckhaltung und das Druckniveau bestimmen im Wesentlichen die Druckverteilung innerhalb einer Heizungsanlage. Im Prinzip können drei Arten der Druckhaltung unterschieden werden:

Das heute vielfach verwendete tiefliegende MAG ist ein Beispiel, wo der Ausdehnungsraum für das Ausgleichsvolumen des erwärmten Wassers gleichzeitig als Druckhaltung wirkt. Druckhaltung und Volumenausgleich sind somit nur zwei Seiten der gleichen Münze.
(Fortsetzung folgt)

Internetinformationen:
www.otto-heat.de
www.flamco.de


*  Dipl.-Ing. Heinrich Mörchen, öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Heizungs- und Sanitärtechnik, Schloss Holte


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