Druckhaltung

Geschichte der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik
Abkürzungen im SHK-Handwerk
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Sicherheitsventile

Ein Druck ist der gemessene statische Druck von Gasen und Flüssigkeiten in Rohrleitungen oder Druckbehältern gegenüber der Atmosphäre (Pa, mbar, bar).

Ruhedruck > Statischer Druck, wenn kein Medium fliesst.
Ruhedruck = Füllhöhe über den jeweiligen Messpunkt + Vordruck im Membranausdehnungsgefäss.

 

 

 

Fliessdruck > Dynamischer Druck wenn ein Medium fliesst.
Fliessdruck = dynamischer Druck - Druckverlust.

 

 

 

 
Differenzdruck > Erzeugter Druck durch die Kreiselpumpe zur Überwindung der Summe aller Widerstände in einer Anlage. Gemessen zwischen Saug- und Druckseite der Kreiselpumpe. Durch die Abnahme des Pumpendrucks aufgrund der Verluste entlang der Rohrleitungen, der Armaturen des Kessels und der Verbraucher, herrscht an jeder Anlagenstelle ein anderer Betriebsdruck.

Betriebsdruck > Druck, der beim Betrieb einer Anlage oder einzelner Teilabschnitte herrscht bzw. entstehen kann.

 

 

Zulässiger Betriebsdruck > Aus Gründen der Sicherheit festgelegter Höchstwert des Betriebsdruckes.


 
Pumpendruck > Druck, der an der Druckseite der Kreiselpumpe bei Betrieb erzeugt wird. Dieser Wert kann anlagenbedingt vom Differenzdruck abweichen.

Flüssigkeitsanlagen (Warmwasserheizung, Heißwasserheizung, Thermoölanlage, Kühlsysteme, Thermische Solaranlage) funktionieren nur richtig, wenn die Druckhaltung stimmt.
Die Ausdehnungs- und Druckhalteanlagen müsssen folgende Aufgaben erfüllen:
• Der Druck an jeder Stelle einer Anlage muss den Mindestdruck (statische Höhe [plus Vordruck plus Wasservorlage],
temperaturabhängig (Heißwasser-, Thermoölanlage) sicherstellen, damit kein Unterdruck auftreten kann und der zulässige Betriebsüberdruck (0,5 bar unter Ansprechdruck des Sicherheitsventils) nicht überschritten wird. Die Drücke sollten auf der Skala des Manometers markiert sein.
• Die Volumenschwankungen der Flüssigkeit, die durch die Temperaturschwankungen auftreten, müssen kompensiert (ausgeglichen) werden.
• Eine berechnete Wasservorlage soll systembedingte Wasserverluste ausgleichen.
Wenn die Aufgaben der Druckhaltung nicht erfüllt, dann sind Betriebsstörungen der Gesamtanlage, so z. B. ständiges Nachspeisen bzw. Nachfüllen, Luftprobleme (z. B. Lufteinsaugung) und erhöhtem Anlagenverschleiß (Kavitation an den Pumpen und Rohrverengungen), nicht zu vermeiden.
Um die Druckhaltung zu gewährleisten gibt es verschiedene Systeme.

• Druckerzeugung mit festem Gaspolster (Stickstoff) - Membrandruckausdehnungsgefäß (bis 1.000 kW)

• Fremddruckerzeugung durch einen Kompressor und Überströmventil - Kompressor-Druckhaltesysteme (100 bis 10.000 kW)

• Fremddruckerzeugung durch eine Pumpe und Überströmventil - Pumpen-Druckhaltesysteme (ab 100 kW)

 
 
Membrandruckausdehnungsgefäß (MAG)
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.
Quelle: Reflex Winkelmann GmbH + Co. KG
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

 

 

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.

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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.

 
 
Kompressor-Druckhaltesysteme
Kompressorgesteuerte Druckhaltung;
Ausdehnungsgefäß mit tauschbarer
Blasenmembrane (Vollmembrane)
Quelle: Reflex Winkelmann GmbH + Co. KG
Der Luftdruck im Membrandruckausdehnungsgefäß wird durch einen Kompressor erzeugt. Dadurch wird der zulässige Druck im optimalen Bereich (+/- 0,1 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 (0,1 bis 10 MW) eingesetzt, wobei die Betriebsdrücke bis 5 bar sind.
 
 
 
 

Pumpen-Druckhaltesysteme

Pumpengesteuerte Druckhaltung
mit Nachspeisung und Entgasung; Ausdehnungsgefäß mit tauschbarer Blasenmembrane (Vollmembrane)
Quelle: Reflex Winkelmann GmbH + Co. KG
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.
 
 

Checkliste zur Größenbestimmung eines Membranausdehnungsgefäßes oder Druckhalteanlage
Ausdehnungsgefäße
Sicherheitstechnische_Ausrüstung-Wärmeerzeugungsanlagen

 
 

Sicherheitsventile

Um Rohrleitungen, Armaturen und Druckbehälter zuverlässig gegen den Überdruck, der über den festgelegenten Betriebsdruck hinausgeht, abzusichern, werden Sicherheitsventile eingesetzt.
Der Aufbau und die Funktion von Sicherheitsventilen wird von der DIN 3320 und und dem TÜV-Merkblatt TÜV-AD-2000 A2 beschrieben. Die nationale Normen werden auf Grund der Harmonisierung der internationalen Normen schrittweise in die ISO 4126 übergeführt.

Sicherheitsventile werden nach den folgenden Kriterien eingeteilt:

Normal-Sicherheitsventil
Die Öffnung des Sicherheitsventiles erfolgt innerhalb von 10 Prozent des Nenndruckes; ab 10 Prozent Überdruck muss der für die ausgelegte Durchflussleistung erforderliche Hub erreicht sein.

Vollhub-Sicherheitsventil
Die Öffnung des Ventiles erfolgt innerhalb von 5 Prozent des Nenndruckes; ab 5 Prozent Überdruck muss der für die ausgelegte Durchflussleistung erforderliche Hub erreicht sein. Deshalb öffnet das Sicherheitsventil schlagartig.

Proportional-Sicherheitsventil
Diese Art Sicherheitsventile öffnen innerhalb von 10 Prozent Druckanstieg über den Nenndruck bzw. eingestellten Abblasedruck. Bei 10 Prozent Überdruck muss der erforderliche Hub des Kolbens ausreichen, um die definierte Durchflussleistung zu erbringen. Der Hub erhöht sich dann proportional zum Druckanstieg.

Direktwirkende Sicherheitsventile
Bei den direktwirkenden Sicherheitsventilen gibt es eine mechanische Kraft, die der Öffnung des Ventiles entgegenwirkt. Diese Kraft kann beispielsweise eine Feder oder ein Gewicht sein.

Gesteuerte Sicherheitsventile
Diese Art Sicherheitsventile besitzen neben dem Hauptventil eine Steuereinrichtung. Die Schliesskraft im Sicherheitsventil kann pneumatisch, hydraulisch, elektronisch oder auch mechanisch erreicht werden.

Ventileigenschaften (Parameter):

Einstelldruck: Pe - eingravierte Druckangabe, bis zu der das Ventil den Druck halten muss.

Ansprechdruck: PA - bei dem das Sicherheitsventil anfängt, sich zu öffnen.

Öffnungsdruck: Pö  -  bei diesem Druck ist der volle Ventilhub des Ventils erreicht.

Öffnungsdruckdifferenz: PΔö  - liegt im Bereich von 10% des Ansprechdruckes.

Schließdruck: Ps  -  bei dem sich das Ventil wieder schließt.

Schließdruckdifferenz: PΔAS - Differenz zwischen Ansprechdruck und Schließdruck (Sicherheitsventile bis 3 bar bei Flüssigkeiten < 0,6 bar unter dem Ansprechdruck).

Überdruck: Pü und absoluter Druck: Pabs

Für die Berechnung sind folgende Parameter wichtig:

Werkstoff Ventilgehäuse:
- Messing
- Messing vernickelt
- Edelstahl

Werkstoff Dichtungen:
- Teflon, Ertalon, Silikon
- Viton, NBR, EPDM
- Metall.

Ausführungsvarianten:
- frei abblasend
- Ausführung als Eckventil mit Gewindeanschluss zum Ableiten des abblasenden Mediums

Anschlüsse:
G 1/8 – G 2

Druckbereiche:
0,5 – 90 bar (andere Einstellungen möglich)

Temperaturbereiche:
-200 °C  -  +250 °C

Folgende Medien können über Sicherheitsventile abgesichert werden:

Wasserstoff H2, Luft, Methan (CH4), Neon, Propan C3H8, Sauerstoff O2, Schwefeldioxid SO2, SF6, Stickstoff N2, Stickstoffdioxid NO2, Stickstoffmonoxid NO, Acetylen C2H2, Ammoniak NH3 gasförmig, Argon, Ethylen C2H4, Frigen, Helium He, Kohlendioxid CO2, Kohlenmonoxid CO, Di-Chlor-Methan CH2Cl2, Erdgas, Dampf, BUTAN, Butadien
Aceton C3H6,  Benzin rein (Hexan)C6H14, C5H10(Cyclopentan), Ethylalkohol C2H6O, ETO(Ethylacetat), Gas-Öl,  Iso-Butanol, Iso-Cyan, Öl, Petroleum,  Propylen, R134A, R22, R23, R404A, R407C, R410A, R502, R507, Salzsäure HCL, THT, Toluol C7H8, Wasser H2O, Wasserstoffperoxid H2O2, Xylo

Einbauvorschriften
Das Sicherheitsventil muss unabsperrbar eingebaut werden, gegen Verschmutzung und Witterung geschütz sein und in eingebautem Zustand nach oben (senkrecht) zeigen.
Die Sicherheitsventile müssen gegen eine unbefugte Änderung des eingestellten Abblasedrucks gesichert sein. Dies kann z. B. durch eine Plombe gewährleistet werden. Damit die korrekte Funktion sichergestellt wird, müssen bewegliche Teile des Ventiles gegen Verschmutzung und Temperatureinflüsse geschützt werden.
Die Sicherheitsventile müssen bei einem Druck von über 85 % des eingestellten Ventil-Betriebsdruckes ohne weitere Hilfsmittel geprüft bzw. geöffnet werden können, damit ein eventueller Ausfall durch Verschmutzung oder andere Umstände ausgeschlossen wird. Diesen Vorgang nennt man Anlüften. Das Ventil sollte regelmäßig durch Anlüften auf die korrekte Funktion überprüft werden.

Schutz gegen Überschreitung des maximalen Betriebsdrucks - Technische Vorgaben und Einbau

Die DIN EN 12828:2013-04 - Planung von Warmwasserheizungsanlage -beschreibt folgendes:
Jeder Wärmeerzeuger einer Heizungsanlage muss zum Schutz der Anlage gegen ein Überschreiten des maximalen Betriebsdrucks durch mindestens ein Sicherheitsventil abgesichert sein. Ist der Wärmeerzeuger werkseitig nicht mit einem Sicherheitsventil ausgestattet, muss eine derartige Einrichtung so nahe wie möglich am Wärmeerzeuger angebracht werden.
Bei Verwendung von mehr als einem Sicherheitsventil muss das kleinere Ventil eine Ablaseleistung von mindestens 40 % der gesamten Durchflussmenge aufweisen. Das bzw. die Sicherheitsventile müssen so ausgelegt sein, dass der gesamte in der Anlage oder in Teilen der Anlage entstehende Druck abgesichert werden kann.

Sicherheitsventile müssen:
- einen Mindestdurchmesser von DN 15 aufweisen
- sich bei einem Druck öffnen, der den maximalen Auslegungsdruck der Anlage nicht überschreitet
- in der Lage sein, eine Überschreitung des maximalen Betriebsdrucks um mehr als 10 % zu verhindern, wobei jedoch bei maximalen Betriebsdrücken von nicht mehr als 3 bar eine Überschreitung von 0,5 bar zulässig ist.

Möglichkeiten dafür, wie diese Anforderungen eingehalten werden können, sind in Anhang E angegeben. Die Angaben zu Sicherheitsventilen in Anhang E dienen lediglich der Information; im Zweifelsfall haben entsprechende Produktnormen Vorrang.

Sicherheitsventile müssen
- so eingebaut sein, dass der Druckverlust der Einlassleitung 3 % und der Druckverlust der Abblaseleitung 10 % des Einstelldrucks des Sicherheitsventils nicht überschreitet.
- zugänglich in unmittelbarer Nähe der Vorlaufleitung des Wärmeerzeugers
eingebaut sein.

Zwischen Wärmeerzeuger und Sicherheitsventil(en) darf sich kein Absperrventil befinden.

Um einen sicheren Ablass von Wasser und möglicherweise entstandenem Dampf sicherzustellen, muss der Auslassstutzen des Sicherheitsventils entsprechend bemessen und angeordnet sein.
Wärmeerzeuger mit einer Leistung von mehr als 300 kW müssen in der Ausblaseleitung in unmittelbarer Ventilnähe einen Entspannungstopf aufweisen. Dieser muss mit einer im Freien endenden Dampf-Abblaseleitung verbunden sein und eine sichere Wasserabflussleitung bereitstellen (zu deren Auslegung siehe Anhang E). Dies gilt auch für Wärmeübertrager, bei denen eine Dampfbildung im Falle eines Fehlers der Anlage nicht ausgeschlossen werden kann. Ein Entspannungstopf ist nicht notwendig, wenn jeder Wärmeerzeuger oder Wärmeübertrager mit einem zusätzlichen Temperaturbegrenzer und einem zusätzlichen Druckbegrenzer versehen ist.

Die EN 806-2:2005 - Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen - Teil 2 -  Planung - :
Das Ausströmen des Entlastungswasser aus der thermischen Ablaufsicherung oder aus einem Sicherheitsventil muss so erfolgen, dass Schaden von Personen innerhalb und außerhalb des Gebäudes sowie von elektrischen Bauteilen und Kabeln vermieden wird. Eine erkennbare Alarmanzeige von fehlerhaften Betriebszuständen muss vorhanden sein.

Sicherheitsventile in der Haustechnik
Membran-Sicherheitsventil (SV)
Sicherheitsventil - Trinkwasseranlage
Sicherheitsgruppe-geschlossene-Speicher
Sicherheitsventil - thermische Solaranlagen
Sicherheitsventile - Kälteanlagen
Sicherheitstechnische Einrichtungen - Warmwasserheizungen


Membran-Sicherheitsventil - Festwert
Quelle: Pneumatex


Membran-Sicherheitsventil - einstellbar
Quelle: Pneumatx


Membran-Sicherheitsventil für Trinkwasseranlage
Quelle: SYR - Hans Sasserath & Co. KG


Membran-Sicherheitsventil für
Solaranlage

Quelle: SYR - Hans Sasserath & Co. KG


Sicherheitsventil für
Kälteanlage

Quelle: Castel

 
 
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