offene und geschlossene Ausdehnungsgefäße

Ausdehnungsgefäße

Druckhaltung

Geschichte der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik

Abkürzungen im SHK-Handwerk

MAG- Heizung

MAG- Solar

Wind- kessel

kompressor-gesteuertes MAG

pumpen-gesteuertes MAG

Ausdehnungs-gefäße Kühlsysteme

MAG- Trink-wasser

Vorschaltgefäß/ Zwischengefäß

Wasserschlag- dämpfer

Druckaus-gleichs-Armatur

Offenes / geschlossenes AG

Druckloses AG

Jeder Wärmeerzeuger benötigt ein eigenes (kleines) Ausdehnungsgefäß, das mindestens das Ausdehnungsvolumen des jeweiligen Wärmerzeugers aufnehmen kann. Dadurch werden Verbindungsleitungen überflüssig und es kann nicht zu Fehlzirkulationendurch durch die WE kommen. Außerdem können Wartungs- und Inspektionsarbeiten im abgesperrten Zustand durchgeführt werden. Das Ausdehnungswasser der gesamten Anlage wird von einem zentralgesetzten, ausreichend ausgelegten Gefäß aufgenommen. Jedes Ausdehnungsgefäß muss durch ein Kappenventil absperrbar sein, damit es für die jährliche Wartung drucklos gemacht werden kann.

Auch ein Pufferspeicher ist ein Wärmeerzeuger, wenn er einen oder mehrere Wärmetauscher hat und vom Kesselkreislauf (MAG) abgesperrt werden kann. Dieser Umstand ist bei dem Einplanen eines zusätzlichen Ausdehnungsgefäßes zu beachten.

Der Inhalt der Anlage sollte nie geschätzt, sondern möglichst genau berechnet bzw. ermittelt werden. Nur dann ist eine fachgerechte Auslegung des bzw. der Gefäße möglich. Zu klein ausgelegte Gefäße führen beim Aufheizen zu einem zu hohen Druckanstieg und somit evtl. zu einem Abtropfen des Sicherheitsventils, was bei dem Abkühlen der Anlage zu einem Unterdruck an den höchsten Stellen der Anlage und somit zum Einsaugen von Luft führen kann.

Ein Audehnungsgefäß kann nie zu groß sein > aber bevor man "aufrundet", sollte es schon genau berechnet werden

Membrandruckausdehnungsgefäß (MAG)

Quelle: Reflex

1 Stahlbehälter
2 Gasfüllventil
3 Blase aus Butyl

4 Wasseranschluss
5 Gas-/Luftraum
6 Blaseneinspannung

Quelle: TA Heimeiner GmbH

MAG-Luftdruckprüfer


Gefäßfüller	Adapter für Gefäßfüller mit Manometer

Quelle: Klostermann Chemie GmbH und Co. KG

Da in Heizungsanlagen, Solaranlagen und Kühlkreisläufen ständig ändernde Temperaturen auftreten, müssen die dadurch auftretenden Wasservolumenschwankungen kompensiert werden, damit der Druck annähernd gleich bleibt. Dies wird durch ein richtig ausgelegtes Membrandruckausdehnungsgefäß (MAG) sichergestellt.

Das Membrandruckausdehnungsgefäß (MAG) enthält eine gasdichte Blasenmembrane. Diese unterteilt das Gefäss in einen Gas- und einen Wasserraum. Das Gas befindet sich außerhalb der Blase, das Blaseninnere ist mit dem Gefäßanschlussrohr verbunden und nimmt das Ausdehnungswasser der Anlage auf. Einige Hersteller trennen nur den Wasser- und Gasraum, sodass das Wasser mit dem Metall des Gefäßes in Berührung kommt.

Das Gas wird mit dem anlagenbedingten Vordruck versehen. Bei dem Temperaturanstieg in der Anlage dringt das entstehende Ausdehnungswasser gegen den Gasdruck in die Blase ein. Bei der Abkühlung und damit verbundener Volumenminderung stellt der auf die Blasenwandung wirkende Gasdruck sicher, dass der Anlage das Ausdehnungswasser wieder zugeführt wird.

Die Membrandruckausdehnungsgefäße sind für Betriebstemperaturen bis 70 °C (DIN 4807) geeignet. Da Elastomere bei höheren Temperaturen schneller altern, sollten die Gefäße so angeschlossen werden, dass Dauertemperaturen von über 50 °C im Gefäss vermieden werden. Hier bietet bietet sich der Kesselrücklauf an. aber auch der Einbau einer Wärmedämmschleife verhindert eine Erwärmung des Gefäßes.

Inzwischen haben sich in der Praxis wohl die Regeln für den Vordruck eines Membrandruckausdehnungsgefäßes (MAG) dahingehend geändert, dass bei Anlagen bis 10 m Anlagenhöhe grundsätzlich ein Vordruck von 1 bar eingesetzt werden sollte. Dadurch wird die Kavitation am Pumpenlaufrad verhindert. Der Mindestanlagendruck im kalten Zustand sollte 0, 3 bis 0,5 bar über dem Vordruck liegen, damit eine größere Wasservorlage vorhanden ist. Dies bedeutet aber eine genauere Berechnung. Ansonsten bleiben die bekannten Regeln bestehen.

In letzter Zeit kommt bei den thermischen Solaranlagen wieder immer mehr das Steamback-Verfahren zum Einsatz, das lange Zeit in Vergessenheit geraten war, weil die "Hochdruckprediger" in der Überzahl waren. Bei diesem Verfahren wird das Wasser-Glykol-Gemisch weniger beansprucht, weil die Verdampfung aufgrund des geringen Anlagendruckes niedrig gehalten wird. Durch die niedrige Verdampfungstemperatur (ca. 110 °C) kann das Frostschutzmittel nicht auscracken. Der Vordruck des MAG's ist 0.2 bar über dem statischen Druck und der Fülldruck im kalten Zustand liegt 0.1 bar über dem Vordruck.

Auf Grund der geringen Flüssigkeitsinhalte von Solaranlagen sollte bei der Auslegung des MAG's grundsätzlich nie mit der Kollektorfläche, sondern mit dem Anlageninhalt (Solarflüssigkeit), gerechnet werden. Außerdem hat ein Wasser-Glykol-Gemisch einen anderen Ausdehnungskoeffizient. Hier kann auch die Berechnungsgrundlage für MAG's in Kühlanlagen genommen werden.

Füllgas für MAG

Berechnung des Ausdehnungsvolumens

Folgende Angaben müssen bekannt sein:

– Totaler Inhalt V_A der Anlage

Falls der Inhalt in Altanlagen nur schwer zu ermitteln ist, erfolgt Bestimmung über die Nennleistung des Wärmeerzeugers (wenn ein Pufferspeicher vorhanden ist, dann ist dessen Inhalt dem angenommenen Inhalt hinzuzurechnen):

Plattenheizkörper - ca. 9 l/kW Nennleistung
Radiatoren - ca. 11 l/kW Nennleistung
Fußbodenheizung - ca. 22 l/kW Nennleistung

– Höchste Vorlauftemperatur t_V und höchste Rücklauftemperatur t_R, für welche die Anlage ausgelegt worden ist. Aus diesen zwei Werten wird als Basis für den thermischen Ausdehnungsfaktor f die mittlere Wassertemperatur t_Z ermittelt.

t_Z = t_V + t_R / 2

Das Bruttoausdehnungsvolumen V_N wird wie folgt berechnet:

V_N = V_A · f · x (l)

f = Thermischer Ausdehnungsfaktor

Temperatur	30 °C	40 °C	50 °C	60 °C	70 °C	80 °C	90 °C	100 °C
thermischer Ausdehnungsfaktor f	0,004	0,008	0,012	0,017	0,023	0,029	0,036	0,043

x = Zuschlagfaktor

3 bis max. 30 kW

2 bei über 30 bis 150 kW

Online-Berechnung - Reflex

Drücke und Volumina am Beispiel eines MAG

Quelle: Reflex Winkelmann GmbH + Co. KG

Ausdehnung von Wasser und Wassergemische bei Erwärmung

So kann es ausgehen, wenn ein MAG und ein Sicherheitsventil fehlt

Berechnung eines MAG nach DIN EN 12828 von Ing. Makus Schöpf

Das MAG von Pneumatex oder Blasengefäß oder Vorteile

Druckausdehnungsgefäss mit fester Gasfüllung

Fakten zum Solar-MAG - Joachim Kolboske

Membran-Druckausdehnungsgefäße - Reflex Winkelmann GmbH + Co. KG

Formblatt - MAG - Reflex

Druckhaltung

Berechnung des Membranausdehnungsgefäßes

Quelle: Mitsubishi Electric

Gefäßauswahl

Das mögliche Aufnahmevolumen des Gefäßes, welches zumindest VN entsprechen muss, ist von den Druckgrenzen abhängig, innerhalb derer das Gefäß arbeitet.

Herstellertabellen erlauben eine Schnellbestimmung für Anlagen, bei denen der Ansprechdruck des Sicherheitsventiles 3 bar beträgt.

Für andere Ventilansprechdrücke oder zur genauen Auslegung sind folgende Angaben erforderlich:

Druck p_a des wasserseitig leeren Gefäßes (Vordruck)
Enddruck p

p_A wird in Funktion der statischen Höhe der Anlage festgelegt:

p_a = H_st (bar) + 0,3 bar

Die statische Höhe Hst wird von der mittleren Höhe des Ausdehnungsgefäßes bis zum höchsten Punkt der Anlage gemessen (1 m = 0,1 bar).

Der Enddruck p_e wird in Funktion des Ansprechdrucks p₀ des Sicherheitsventiles bestimmt:

p_e = p₀ / 1,3

Für die Berechnung der minimal erforderlichen Gefäßgrösse V_G gilt:

V_G = V_N · (p_e + 1) / p_e – p_a

Im Grenzbereich ist das nächstgrößere Gefäß zu wählen.

Die geltenden Vorschriften für geschlossene Anlagen (DIN EN 12282) sind zu beachten, so muss z. B. der zulässige Betriebsüberdruck der in der Anlage eingesetzten Komponenten zumindest dem Wert p₀ entsprechen.

Online-Berechnung - Reflex

Dimensionierung von Expansions- und Druckhaltesystemen - Berechnungstool - Anton Eder GmbH

Ein tragischer Unfall - Ausdehnungsgefäß zerplatzt

Der Strömungswiderstand der Ausdehnungsleitung darf den Druckanstieg am Sicherheitsventil oder Sicherheitsdruckbegrenzer nicht zum Ansprechen bringen. Es kann vorausgesetzt werden, daß in aller Regel bei einer Fließgeschwindigkeit 0,5 m/s die Summe der Widerstände in der gesamten Ausdehnungsleitung einschließlich der Armaturen so niedrig ist, daß diese Forderung erfüllt wird.

Dies ist in der Regel erfüllt, wenn die Nennweite dem Anschluss des Gefäßes entspricht.

Ein Nachweis der Nennweite der Ausdehnungsleitung ist nicht erforderlich, wenn die Zuleitungen zum Ausdehnungsgefäß einen Innendurchmesser von 12 mm bis zu einer Nennwärmeleistung von 20 kW und 20 mm bis zu einer Nennwärmeleistung von 350 kW haben. Bei Nennwärmeleistung über 350 kW ist die Ausdehnungsleitung unter Berücksichtigung einer stündlichen Wasservolumenänderung von je 1 Liter je kW Nennwärmeleistung und einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 m/s zu berechnen.

Vordruck

Der Vordruck in einem Membrandruckausdehnungsgefäß (MAG) ist der Gegendruck, der getrennt durch eine Membrane dem Ausdehnungswasser einer Anlage entgegenwirkt. Dadurch wird ein starker Druckanstig vermieden. Ein Druckanstieg zwischen 0,1 bis 0,5 bar wird als normal angesehen. Wenn eine Druckerhöhung unter 0,1 bar gewünscht wird, dann muss das Gefäß entsprechend vergrößert werden.

Der Vordruck wird über ein Gaspolster (Stickstoff) aufgebaut. Bei dem Temperaturanstieg in der Anlage dringt das entstehende Ausdehnungswasser gegen den Gasdruck in die Blase (Gefäß) ein. Bei der Abkühlung und damit verbundener Volumenminderung stellt der auf die Blasenwandung wirkende Gasdruck sicher, dass der Anlage das Ausdehnungswasser wieder zugeführt wird.

Der Vordruck muss mindestens dem hydrostatischem Druck (Anlagenhöhe über dem MAG) angepasst werden. In der Praxis sollte der Vordruck 0,3 bar über dem hydrostastischen Druck liegen, da je nach der Art bzw. Material der Membrane mit Druckverlusten zu rechnen ist. Ein zu niedriger, aber auch zu hoher Vordruck kann zu Betriebstörungen führen.

In der Praxis wird ein Vordruck von 1,5 bar in Verbindung mit einem 3-bar-Sicherheitsventil als sinnvoll angesehen Dies besonders in Anlagen mit hohen Temperaturen (z. B. Solar-Pufferspeicher) und wenn der Wärmeerzeuger (und Pufferspeicher) im Dachgeschoss steht.

Der Anlagendruck im kalten Zustand sollte 0,3 bar über dem Vodruck liegen, damit eine ausreichende Wasservorlage vorhanden ist, weil über Undichtigkeiten (z. B. undichte Armaturen, automatische Be- und Entlüfter, Sicherheitsventil) Wasserverluste auftreten können, die dann zu einem Druckverlust führen. Der Anlagendruck im vollaufgeheizten Zustand muss 0,5 bar unter dem Ansprechdruck des Sicherheitsventiles liegen, damit es nicht zu "Leckverlusten" kommen kann.

Besonders in größeren Heizungsanlagen muss das Ausdehnungsgefäß genau berechnet werden. Dies ist besonders in Kühl- und Solarsystemen notwendig, weil hier Frostschutzmittel eingesetzt werden, die zu einer erheblich höheren Ausdehnung gegenüber Wasser führen.

Das MAG sollte einmal im Jahr gewartet bzw. überprüft werden.

Wasservorlage

Die Wasservorlage soll die systembedingten Wasserverluste einer Anlage von einer Wartung zur nächsten Wartung (einmal jährlich) ausgleichen. Der Anlagendruck im kalten Zustand sollte 0,3 bar über dem Vodruck liegen, damit eine ausreichende Wasservorlage vorhanden ist, weil über Undichtigkeiten (z. B. undichte Armaturen, automatische Be- und Entlüfter, Sicherheitsventil) Wasserverluste auftreten können, die dann zu einem Druckverlust führen. Der Anlagendruck im vollaufgeheizten Zustand muss 0,5 bar unter dem Ansprechdruck des Sicherheitsventiles liegen, damit es nicht zu "Leckverlusten" kommen kann.

Bei einer genauen Berechnung wird die Wasservorlage mit 1 % des Anlageninhalts angesetzt. In Kühlsystemen ist die Vorlage besonders wichtig, weil die Flüssigkeit unter der Fülltemperatur liegen kann.

Das MAG sollte einmal im Jahr gewartet bzw. überprüft werden.

MAG Baujahr 1971

Ein Membrandruckausdehnungsgefäß (MAG)

aus dem Jahre 1971

Es hat bis heute durchgehalten,

obwohl die Halterung ziemlich gewöhnungsbedürftig ist.

MAG für thermische Solaranlagen

Der Anlagenbetriebsdruck an der Solarstation sollte 0,8 bis 1,5 bar plus 0,1 bar pro Meter statischer Höhe zwischen dem Manometer an der Solarstation und dem höchsten Punkt der Anlage betragen. Die Anlage sollte luftfrei gespült sein. Trotzdem scheidet sich nach der Inbetriebnahme noch etwas in der Flüssigkeit gebunden Luft aus. Deshalb muss der Fülldruck etwas höher (+0,1 bis 0,2 bar) sein.

Die notwendige "Wasservorlage" wird über den richtigen Vordruck im MAG, der ca. 0,3 bar niedriger als der Anlagenbetriebsdruck sein soll, eingestellt. Wenn das MAG unter dem Manometer angeordnet ist, muss der Vordruck um die Höhendifferenz (1 m = 0,1 bar) niedriger sein.

Nur wenn der höchste Bereich (Kollektorfeld) immer einen Überdruck hat, kann ein Sieden von Solarflüssigkeit während des Betriebes verhindert werden. Dadurch wird eine Dampfblasenbildung, die den Durchfluss reduzieren oder unterbrechen kann, in den Kollektoren ausgeschlossen.

Die Größe des MAG's oder besser "Nutzvolumen" des MAG's muss so groß sein, dass die durch die Erwärmung ausgedehnte Flüssigkeit der Anlage und vor allem das Volumen im Stagnationsfall (Dampf drückt die Kollektoren und Teile der Solarleitung [Rücklauf] leer) aufgenommen werden kann. In kleinen und mittleren thermischen Solaranlagen hat sich der Einbau des MAG's auf der Druckseite der Pumpe durchgesetzt. Hiebei ist die Schwerkraftbremse in Fließrichtung vor dem MAG zu setzen, damit die Solarflüssigkeit im Stagnationsfall möglichst über die Rücklaufleitung in das MAG gedrückt werden kann.

Windkessel

Hauswasserwerk mit Windkessel

Quelle: Grundfos

Der Windkessel ist ein mit Luft gefüllter Behälter. Er wird in der zentralen Trinkwasserversorgung und bei der Einzelwasserversorgung (Eigenwasserversorgung) in Hauswasseranlagen eingesetzt. Er soll Druckstöße dämpfen und Druckschwankungen ausgleichen.

Windkessel werden heute durch Druckerhöhungs- bzw. Druckhalteanlagen mit speziellen Pumpen und Regelungen ersetzt.

Windkessel werden auch im Hydraulischen Widder und bei der Plungerpumpe eingesetzt.

Kompressor-Druckhaltesysteme

Kompressorgesteuerte Druckhaltung;
Ausdehnungsgefäß mit tauschbarer
Blasenmembrane (Vollmembrane)

Quelle: Reflex

Der Druck im Membrandruckausdehnungsgefäß wird durch einen Kompressor erzeugt. Dadurch wird der zulässige Druck im optimalen Bereich (+/- 0,2 bar) gehalten. So kann das Nennvolumen des Ausdehnungsgefäßes bis zu ca. 90 % zur Aufnahme des Ausdehnungswassers genutzt werden.

Diese Systeme werden aber nur in Großanlagen (1 bis 20 MW) eingesetzt, wobei die Betriebsdrücke bis 5 bar sind.

Druckhaltestationen - Reflex Winkelmann GmbH + Co. KG

Pumpen-Druckhaltesysteme

Pumpengesteuerte Druckhaltung
mit Nachspeisung und Entgasung; Ausdehnungsgefäß mit tauschbarer Blasenmembrane (Vollmembrane)

Quelle: Reflex

Der Anlagendruck wird durch Druckhaltepumpen erzeugt. Dabei übernimmt im Gegensatz zu Kompressoranlagen ein druckloses Membrandruckausdehnungsgefäß den Volumenausgleich. Durch eine wasserseitige Steuereinheit mit Pumpe und Überströmventil wird der richtige Betriebsdruck in Grenzen von ca. +/- 0,2 bar gehalten.

Aufgrund der nahezu trägheitslosen Arbeitsweise wird dieses System in sehr großen Anlagen (Kraft- und Fernwärmeanlagen) eingesetzt. Auch bei diesem System ist fasst das gesamte Nennvolumen des Ausdehnungsgefäßes zur Aufnahme des Ausdehnungswassers nutzbar.

Werden Pumpen mit einer Drehzahlregelung (z.B. über einen Frequenzumrichter) eingesetzt, dann kann die Anlage ohne Membrandruckbehälter betrieben werden. Die Pumpe reguliert dann den Druck selber.

Das drucklose Ausdehnungsgefäß kann zusätzlich zur Entgasung des Heizungswassers eingesetzt werden. Ein kleines Wasservolumen wird abgezweigt und in einen drucklosen Behälter geleitet. Hier sinkt der Druck auf den Umgebungsdruck und ein Großteil der Luft entweicht. Ein gleichgroßes Wasservolumen wird über eine Druckhaltepumpe zurück in die Anlage gefördert, um so den Druck in der Anlage konstant zu halten.

Pumpengesteuerte Druckhaltstation - apaco - AG für Apparatebau

Ausdehnungsgefäße in Kühlanlagen

In Kühlanlagen sind Zwischengefäße vorzusehen, wenn Gefäßtemperaturen von unter 5 °C auftreten, die meisten Gefäßhersteller die niedrigste Temperatur mit + 5 °C angeben.

Der Ausdehnungsfaktor ist höher, wenn dem Wasser Frostschutzmittel zugegeben wurde. Die entsprechenden Werten sind von dem Mischungsverhältnis abhängig. Bei Kühlanlagen muss der Inhalt der Anlage rechnerisch ermittelt werden, denn Pauschalwerte aufgrund der Nennleistung des Kühlaggregates ergeben keine zuverlässigen Ergebnisse. Für die Bestimmung des Ausdehnungsvolumens muss mit der max. möglichen Umgebungstemperatur gerechnet werden, welche die Kühlflüssigkeit bei Ausfall des Kühlaggregates annehmen kann (ca. 30–35°C).

Der Vordruck in einem Membrandruckausdehnungsgefäß (MAG) sollte mindestens 1,5 bar betragen, damit die angeschlossenen Geräte nicht auf Grund eines zu geringen Druckes abschalten. Die Wasservorlage, d. h. der Fülldruck sollte entsprechend hoch über dem Vordruck liegen und bei der Auslegung berücksichtigt werden. Dies ist besonders wichtig, wenn das Kühlmedium stark unter die Fülltemperatur absinken kann.
Bei dem Einsatz offener Ausdehnungsgefäße muss darauf geachtet werden, dass es nicht zu Kavitationsschäden in den Pumpen kommt.

Dimensionierung Druckausgleichsbehälter - Sole-EWT

Kubischer Ausdehnungskoeffizient von GLYKOSOL N-Wasser-Gemischen

Quelle: pro Kühlsole

Transparenter Sole-Ausgleichsbehälter

Quelle: Vaillant Deutschland GmbH & Co. KG

Ein transparenter Ausgleichsbehälter wird eingesetzt, da sich der Wärmeträger (Wasser-Glykol-Gemisch bzw. Sole) im Kreislauf eines Erdkollektors oder einer Erdsonde im normalen Betrieb abkühlt. Hier ist es sinnvoll, den Füllstand im Ausgleichsbehälter beobachten zu können. Zumal eine Wärmepumpe bei zu niedrigem Druck auf Störabschaltung geht. Außerdem ist es normal, dass der Füllstand der Soleflüssigkeit im ersten Monat nach der Inbetriebnahme der Anlage etwas sinkt. Der Füllstand kann auch je nach Temperatur der Wärmequelle variieren. Im Gegenteil zu Heizungs- und Solaranlagen zieht sich die Flüssigkeit zusammen.

Wenn der Füllstand der Soleflüssigkeit so weit gesunken ist, dass er im Soleausgleichsbehälter nicht mehr sichtbar ist, muss die Soleflüssigkeit nachgefüllt werden. Im Gegensatz zu den Membrandruckausdehnungsgefäßen (MAG) haben diese Gefäße haben keine Membran, da das Luftpolster den Gegendruck aufrecht hält. Bei Anlagen, die keinen Mindestdruck benötigen, kann auf das Sicherheitsventil verzichtet werden. Dann kann die Anlage offen betrieben werden. Jedes Ausdehnungsgefäß sollte mit einem Kappenventil angeschlossen werden, damit es bei der Dichtheitsprüfung und dem Luftfreispülen von der Anlage getrennt werden kann.

Der Sole-Fülldruck sollte zwischen 1 und 2 bar liegen. Wenn er für die Dauer von 2 Minuten unter 0,6 bar oder einmalig unter 0,2 bar sinkt, wird die Wärmepumpe automatisch abgeschaltet und eine Fehlermeldung wird angezeigt.

Auch bei der PC-Kühlung kommen transparente Ausgleichsbehälter zum Einsatz.

Vorschaltgefäße - Zwischengefäße (VSG - VG - ZG)

Vorschaltgefäße schützen die Membrane von Membrandruckausdehnungsgefäßen vor unzulässiger Temperaturbelastung. Nach DIN 4807 Teil 3 und DIN EN 13831 darf die Dauertemperatur an der Membrane 70 °C (spezielle Solargefäße 110 °C) nicht überschreiten. In Kühlwassersystemen sollte eine Temperatur von 0 °C vermieden werden.

Außerdem kann die Installation eines Vorschaltgefäßes erforderlich sein. Da ein Vorschaltgefäß die Aufgabe hat, Wärme abzugeben, darf es grundsätzlich keine Wärmedämmung erhalten. Ein Vorschaltgefäß ist immer dann erforderlich, wenn die Kollektoren mehr Dampf erzeugen, als in den angrenzenden Rohrleitungen bis zur Solarstation wieder kondensieren kann.

Das Vorschaltgefäß in Heizungs- und Solaranlagen wird von oben angeschlossen. Das heiße Ausdehnungswasser > 70 °C ververdrängt das kühlere Wasser in die Membrane des MAG's. In Kühlkreisläufen wird es von unten angeschlossen. Das kalte Ausdehnungswasser < 0 °C drängt das wärmere Wasser in die Membrane des MAG's.

Pauschal gilt:

Der Einsatz von Vorschaltgefäßen zum Schutz des Ausdehnungsgefäßes ist für jede Solaranlage zu empfehlen. Besonders trifft dies zu bei allen Anlagen mit sehr kurzen Leitungswegen und/oder sehr geringen Leitungsquerschnitten, oder bei großen Kollektorflächen bzw. Kollektoren mit großem Inhalt (z.B. Vakuum Röhrenkollektoren). Anlagen zur Heizungsunterstützung sollten prinzipiell mit Vorschaltgefäß ausgerüstet werden. Das Gefäß sollte ca. 50 % des Nutzvolumens des nachgeschaltetem MAG's haben.


Reflex	TA Heimeiner GmbH	Reflex

Zur Berechnung des Vorschaltgefäßes in Heizungsanlagen ist entscheidend, welche Wassermenge über 70 °C aufgeheizt wird. In der Regel werden dies etwa 50% des Anlagenvolumens (VA) sein. Bei Anlagen mit Wärmespeichern sind bis 100% möglich.

Stoffwerte (delta)n

Quelle: Reflex

	0,5 falls Rücklauf 50% von VA
*V_n = (delta)n / 100 V_A * (0,5...1,0)**	1,0 falls Wärmespeicher mit 100 % V_A
	aus Sicherheitsgründen mit Faktor 1 rechnen

Berechnung des Vorschaltgefäßes in Solaranlagen ohne Verdampfung

V_n = (delta)n / 100 * V_A

Berechnung des Vorschaltgefäßes in Solaranlagen mit Verdampfung

V_n = (delta)n / 100 * V_A + V_K

Berechnung des Vorschaltgefäßes in Kühlsystemen bei Temperatur-unterschreitungen von 0 °C

V_n = 0,005 * V_A

Vorgefäß - Solar-, Heiz- und Kühlsysteme

MAG für Trinkwassererwärmungsanlagen

Durchströmtes Membran-Druckausdehnungsgefäß
1 Stahlbehälter
2 Gasfüllventil
3 Blase aus Butyl
4 Wassereintritt
5 Wasserauslass
6 Gasraum

Quelle: TA Heimeiner GmbH

Trinkwasser-Membran-Druckausdehnungsgefäß

Quelle: Reflex

Quelle: TA Heimeiner GmbH

Fakten zum TW-MAG - Joachim Kolboske

Bei dem Aufheizung von Trinkwasser dehnt sich das Wasser aus. Dieser Vorgang erhöht den Anlagendruck bis das Sicherheitsventil das überschüssige Ausdehnungswasser abtropfen lässt.

Damit nicht unnötig Wasser verschwendet und der Anlagendruck in den Warmwasserleitungen im Verhältnis zur Kaltwasserleitung nicht ansteigt, werden durchströmte Membran-Druckausdehnungsgefäße eingebaut. Dadurch wird Wasser gespart und das Mischen von Kalt- und Warmwasser an den Armaturen wird verbessert.

Das Gefäß wird in der Kaltwasserzuleitung zum Trinkwassererwärmer montiert. Bei der Erwärmung drückt das entstehende Ausdehnungswasser Kaltwasser zurück in das Gefäß.

Eine einwandfreie Funktion ist nur gegeben, wenn durch einen Druckminderer am Hauswasseranschluss ein konstanter Ruhedruck im Wassernetz sichergestellt wird. Die Anschlussleitungen zum Gefäß sollen mindestens die gleiche Nennweite aufweisen wie die Gefäßanschlüsse.

Wichtig ist, dass der Vordruck 0,2 bis 0,3 bar unter dem Ruhedruck eingestellt ist (Wasservorlage).

Warum ein Gefäß im Trinkwassersystem eine Wasservorlage haben muss, konnte mir noch kein Hersteller erklären. Im Gegensatz zu Heizungsanlagen, Solaranlagen und Kühlkreisläufen gibt es in einem Trinkwassersystem keinen Druckabfall (Flüssigkeitsverlust) aufgrund von Undichtigkeiten. Wichtig ist nur, dass der Vordruck maximal dem eingestellten Wasserdruck entspricht, damit das Ausdehnungswasser bei der Erwärmung aufgenommen werden kann. Oder kann es am Fließdruck liegen? Wer hat auf diese Frage eine Erklärung?

Außerdem sind die Vorschriften der Wasserversorgungsunternehmen sind zu beachten.

Berechnung (Basis DIN 4807 Teil 5)

Folgende Angaben werden benötigt:

Volumen des Trinkwassererwärmers V_Sp (l)
Aufheiztemperatur des Wassers tww
Temperatur des Kaltwassers (Annahme 10°C)
Ruhedruck pa [bar] Daraus berechnet sich der Gefäßvordruck po = p_a – 0,2 bar
Ansprechdruck des Sicherheitsventils p_sv (bar) Daraus berechnet sich der Enddruck p_e = p_sv · 0,8

Die Berechnuing ist nach zwei Methoden möglich:

1. Berechnung des Ausdehnungsvolumens bzw. der für die Aufnahme der Ausdehnung nötigen Gefäßgröße.

Berechnung des Ausdehnungsvolumens Ve

V_e = V_Sp * n

tww	60 °C	70 °C	80 °C
n	0,017	0,023	0,029

Berechnung des nötigen Gefäßvolumens Vnmin

Vnmin = V_e * (p_a + 1) * (p_e + 1) / (p_a + 0,8) * (p_e – p_a)

2. Bestimmung des Gefäßvolumens für 100 l Trinkwasser-erwärmerinhalt in Funktion des Ruhedrucks und des Ventilansprechdrucks anhand der nebenstehenden Tabelle.

Das Ergebnis ist mit der Trinkwassererwärmergrösse (dividiert durch 100) zu multiplizieren.

< Tabelle

Es ist immer die nächste größere Gefäßgröße oberhalb des minimal nötigen Volumens liegende Größe auszuwählen. Darüber hinaus sollte nicht gegangen werden, denn bei überdimensionierten Gefäßen wird der Wasseraustausch schlechter.

Von einigen Herstellern wird der Einbau einer Umgehungsleitung am TW-MAG empfohlen, aber davon ist aufgrund von entstehenden Stagnationswasser dringend abzuraten.

Arbeiten an der Trinkwasserinstallation dürfen nur durch eingetragene Installationsfirmen durchgeführt werden.

Membran-Druckausdehnungsgefäße in Trinkwasserinstallationen

Wasserschlagdämpfer (WSD)

Wasserschlagdämpfer werden vor Geräten mit schnellschließenden Armaturen (z. B. Waschmaschinen, Geschirrspüler, automatischen Druckspüler, Gas-Kombiheizer, Einhebelarmaturen) eingesetzt, um Druckspitzen auf ein zulässiges Niveau zu dämpfen. Unter ungünstigen Verhältnissen können für eine 1/100 Sekunde Drücke bis 90 bar auftreten.

Die Wirkungsweise der Wasserschlagdämpfer ist relativ simpel: Basis ist ein Zylinder, der von einem Kolben mit doppelter Ringdichtung in zwei Kammern unterteilt ist. In der geschlossenen Kammer befindet sich komprimierte Luft. Die offene Kammer ist direkt mit der Trinkwasseranlage verbunden und mit Wasser gefüllt. Bei Wasserschlägen wird der Druck im Dopplereffekt von beiden Kammern und einer Gegenfeder ausgeglichen. Die Wasserschläge werden bis zu 60 Prozent reduziert. Um die beste Wirkung erzielen zu können, müssen die Dämpfer so nah wie möglich hinter dem Auslöser der Wasserschläge installiert werden. Dabei spielt es keine Rolle ob der Dämpfer hängend, senkrecht oder waagrecht eingebaut wird. Übrigens: Eine optimale Funktion wird erreicht, wenn am Anfang des Verteilernetzes ein richtig dimensioniertes Druckminderventil installiert ist.

Ständige Wasserschläge führen nicht nur zu lästigen Geräuschen, sondern auch zu Kaltbrüchen in den Rohrnetzen. Vor allen Dingen an hartgelöteten Bogen.

Wenn eine in Bewegung befindlichen Wassermasse schlagartig gestoppt wird, so z. B. bei schnell schließenden Armaturen, dann führt das zu einer kurzzeitigen Druckspitze (Schlag) am Ort, an der die Wassermasse auftrifft.

Wasserschlagdämpfer

MAG als Wasserschlagdämpfer

a) Wasser fliesst durch offene Leitung.
b) Absperrorgan wird geschlossen. Das Wasser strömt in das Gefäß und komprimiert mit seiner Energie das Gaspolster.
c) Momente später erfolgt der Ausgleich, das Gaspolster drückt das "erschöpfte" Wasser ins Leitungssystem.

Massgebende Leitungslänge L
a) L = l1 + 1/3 l2
b) L = l1

Quelle: Quelle: TA Heimeiner GmbH

Druckschläge (Wasserschläge) können auch bei starker Beschleunigung von Wasser (so z. B. Einschalten von Pumpen) oder durch plötzliche Richtungsänderung von strömendem Wasser hervorgerufen werden.

Da die Druckspitzen ein Mehrfaches der vorhandenen Leitungsdrücke erreichen (bis zu 90 bar), ist abgesehen von Lärm auch mit der Zerstörung von Anlagenteilen (Kaltbrüche) zu rechnen.

Bei Druckschlägen kann durch spezielle Wasserschlagdämpfer, aber auch mit einem TW-MAG, Abhilfe geschaffen werden.

Natürlich wäre der Versuch, die Störquelle zu beseitigen, die beste Möglichkeit. Ist das aber nicht möglich, so z. B. durch Fehler im Rohrsystem, so muss das einzusetzende Gefäß berechnet werden.

Da die Berechnung von Druckschlägen ist sehr komplex und kompliziert ist, empfiehlt es sich, die exakte Berechnung durch ein spezialisiertes Ingenieurbüro durchführen zu lassen.

Es gibt auch eine Methode, das Gefäß durch eine überschlägige Berechnungen durchzuführen. Dabei wird die im fließenden Wasser vorhandene (kinetische) Energie errechnet. Daraus kann die nötige Gefäßgröße bestimmt werden, dass das Gaspolster fähig ist, die Energie des Wassers innerhalb der zulässigen Druckgrenzen in Kompressionsenergie umzuwandeln.

Erforderliche Angaben:

Nennweite der Leitung, in der sich die Absperrarmatur befindet
Volumenstrom/Pumpenleistung Q (m3/h)
Fließdruck p_fl (bar). Daraus Vordruck p_o des Gaspolsters
p_fl– 0,2 bar
Zulässiger Druck pmax (bar) im System. Entspricht normalerweise dem Ansprechdruck p_sv des Sicherheitsventils
Maßgebende Leitungslänge L (m)

Bei der Berechnung muss eine Annahme bezüglich der zu berücksichtigenden Leitungslänge getroffen werden. Maßgebend ist die Länge gemessen vom Absperrorgan zurück zum Punkt, an der die Leitung eine Querschnittserweiterung aufweist.

Falls die Querschnittserweiterung weniger als 2 Nennweiten beträgt, wird vom erweiterten Leitungsabschnitt 1/3 der Länge bei der Berechnung berücksichtigt.

Minimal nötiger Gefäßinhalt

Wenn
• Maßgebende Leitungslänge = 100 m
• Fließgeschwindigkeit im Rohr = 2 m/s
• Fließdruck p_fl = 6 bar bei p_sv10 bar = 10 bar bei p_sv16 bar

gilt die Regel, dass der Gefäßinhalt (in lt.) mind. 1/3 des Durchmessers der Leitung (in mm) entsprechen sollte.

Druckausgleichsarmatur - Heizöl

Eine Druckausgleichsarmatur wird dann notwendig, wenn sich Heizöl in Leitungsabschnitten bei der Erwärmung durch die Umgebungstemperatur (z. B. Heizraum, Kanäle mit wärmeführenden Rohren) ausdehnen kann.

Dieser Fall kann eintreten, wenn im/am Tank ein Fußventil, ein Rückflussverhinderer in der Entnahmearmatur oder eine Hebereinrichtung (Magnetventil) eingebaut ist. Bei einem Brennerstillstand dehnt sich das kalte Öl aus und baut einen Druck auf, der Leitung und Bauteile belasten oder zerstören kann. Es können auch Funktionsstörungen an dem Sperrventil, Hebereinrichtung, Magnetventil und den Verbindungsstellen auftreten, die zu Betriebsstörungen des Brenners führen.

Die Druckausgleichsarmatur nimmt das sich ausdehnende Heizöl auf, indem ein federbelastete Kolben ausweicht. Ein austretender Stift zeigt die Ausdehnung an.
Beim Einschalten des Brenners wird das Öl wieder in die Leitung zurückgegeben. Diese Armatur ist mit der Funktion eines Membrandruckausdehnungsgefäßes (MAG) in Wassersystemen vergleichbar.

Das Leitungsvolumen gibt die Auslegung dieser Armatur vor.

Druckausgleichsarmatur

Quelle: Oventrop

Offenes (und geschlossenes) Ausdehnungsgefäß (AG)

offene AG's nach DIN 4807

Quelle: FW Heider

Das Ausdehnungsgefäß (AG) ist ein Bestandteil einer offenen Heizungsanlage. Diese Anlagen sind auch in der DIN EN 12828 vorgesehen, weil diese eigensicheren Anlagen bei dem Boom der Holzkessel evtl. wieder eine Alternative sind, wenn eine thermische Ablaufsicherung (TAS) nicht möglich ist.

Grundlage für den Bau der offenen Anlage ist die nicht mehr gültige DIN 4751 - Teil 1. Die Vorgaben wurde in die neue Norm für die sicherheitstechnische Einrichtungen in Wärmeerzeugungsanlagen (DIN EN 12828) übernommen.

Bei dem genormten Ausdehnungsgefäß (DIN 4807) sind die Anschlüsse so angeordnet, dass es ohne Probleme in stehender oder liegender Anordnung eingebaut werden kann. Die Größe der offenen Ausdehnungsgefäße ist einfach zu berechnen. Die Ausdehnung des Wassers von 10 bis 100 °C beträgt ca. 4 %, wobei für die Berechnung mit 10 % des Anlageninhalts gerechnet wird.

Der Zulaufdruck zur Pumpe einer offenen Anlage liegt bei einem normalen Einfamilienhaus bei ca. 0,7 bar und ist weitaus geringer als bei einem geschlossenen System. Diese Tatsache sollte immer beachtet werden, denn der Zulaufdruck zur Pumpe muss gewährleistet sein, damit es nicht zu Kavitationsschäden (hohe Systemtemperatur) an den Umwälzpumpen kommt, deswegen ist eine offene Anlage mit geringer statischer Höhe oder im Dachgeschoss eher problematisch.

Offenes DIN-Gefäß - Fa. Huch GmbH Behälterbau

Offenes DIN-Gefäß - Fa. FW HEIDER GmbH

Ein Ausdehnungsgefäß mit schwimmender Membran gab es von der Firma Reflex Winkelmann GmbH + Co. KG. Bei diesem Gefäß wurde der Lufteintrag bei offenen Anlagen durch die trennende Membran erheblich verringert, weil das Anlagenwasser nur noch über die kleine Querschnittsfläche des Sicherheitsvorlaufes mit der Atmosphäre in Verbindung stand und im Gefäß keine Zirkulation stattfand. Da aber offene Anlagen nicht mehr "modern" sind, wurde die Herstellung wohl eingestellt. Ob es möglich ist, ein MAG entsprechend umzubauen, müsste mit den jeweiligen Herstellern besprochen werden.

Geschlossenes Ausdehnungsgefäß ohne Membrane

Wenn nach der alten DIN 4751 Teil 2 eine geschlossene Anlage (< 110°C) gebaut werden sollte, so wurde das DIN-Gefäß an der höchsten Stelle der Anlage mit einem Belüftungsventil und einem Sicherheitsventil, meistens gewichtsbelastet (0,5 bar), eingebaut.

Funktionsweise

Diese Anlage wird vollständig gefüllt. Bei dem Aufheizen steigt der Druck und das Ausdehnungswasser wird über das Sicherheitsventil abgeführt. Bei dem Abkühlen des Wassers wird Luft in das Gefäß durch das Belüftungsventil eingesaugt. Bei den nächsten Aufheizungen stellt sich ein, dem Druck entsprechendes Luft- oder besser gesagt Stickstoffpolster, ein, denn der Sauerstoffanteil der Luft geht eine innige Verbindung mit den Stahlteilen ein.

Diese Gefäßart ist der Vorläufer der Membrangefäße.

druckloses Ausdehnungsgefäß

Quelle: Laing

Ein druckloses Ausdehnungsgefäß (Fa. Laing) hat neben der Ausdehnungsleitung eine zusätzliche Verbindung zur höchsten Stelle des Fußbodenheizungssystems, über welche die im System enthaltene Luft in das Ausdehnungsgefäß entweichen kann. Diese Art der Entlüftung scheidet die Luft aus den Fußbodenheizkreisen besser aus als die Abscheidung aus mit Druck beaufschlagten Systemen.

Ausdehnungsgefäße - DIN 4807

Teil 1 : Diese Norm gilt für Ausdehnungsgefäße in wärmetechnischen Anlagen, mit deren Hilfe Volumenänderungen flüssiger Medien ausgeglichen werden sollen. Unter flüssigen Medien versteht man in diesem Zusammenhang : Wasser und Gemische aus Wasser und Frostschutzmitteln ( z.B. in Kaltwassersätzen , Solaranlagen ).

Sie schafft die begrifflichen Grundlagen für die übrigen Teile dieser Normenreihe, beschreibt die Zusammenhänge mit den einschlägigen gesetzlichen Vorschriften und enthält Angaben über Prüfung und Kennzeichnung.

Teil 2 : Diese Norm enthält Anforderungen und gilt für die Größenbestimmung, Abmessungen und Ausführung des äußeren Korrosionsschutzes von Ausdehnungsgefäßen in offener und geschlossener Ausführung in WW- und Heißwasserheizanlagen mit direkter und indirekter Beheizung und in Kühlanlagen.

Teil 3 : Diese Norm gilt für die technischen Anforderungen , die Konstruktion und die Prüfung von Membranen für offene und geschlossene Ausdehnungsgefäße der Normreihe DIN 4807.
Das offene Ausdehnungsgefäß ist mit dem Sicherheitsvor- und Rücklauf mit dem Heizkessel verbunden und muss bei Wärmedehnung das Ausdehnungswasser aufnehmen können. Da das Ausdehnungsgefäß die höchste Stelle der Anlage ist, also sich in der Regel auf dem Dachboden befindet, sind Schutzmaßnahmen gegen Einfrierung. Die Rohrleitungen müssen immer eine leichte Steigung haben, damit keine Luftblasen die Wasserzirkulation verhindern und die Schwerkraftwirkung besser anlaufen kann. Damit die Lufteintragung minimiert wird, sollte das Gefäß nichtdurchströmt angeschlossen werden.

ein wenig mehr über Druckhaltung in Wassersystemen

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