Ausdehnungsgefäß

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Ausdehnungsgefäß einer Warmwasserheizung

Ausdehnungsgefäße (Abkürzung ADG), auch Expansionsgefäß oder Druckausgleichsbehälter sind Bauteile in hydraulischen Systemen, die die Volumenänderungen der Hydraulikflüssigkeit zwischen minimaler und maximaler Temperatur aufnehmen und so den Druck weitgehend konstant halten (Druckhaltung). Sie werden oft als Membranausdehnungsgefäß (Abkürzung MAG) ausgeführt.

Technisch analog arbeiten die Membranspeicher, der Einsatzzweck ist hier jedoch die Speicherung von Energie und die Dämpfung von Druckstößen.

Zweck[Bearbeiten]

Das Volumen von Flüssigkeiten nimmt bei Temperaturerhöhung zu und bei Temperaturabsenkung ab, soweit die Dichteanomalie von Wasser bei 4 °C außer Acht gelassen wird. Dies führt auf Grund der geringen Dehnungskapazitäten der Rohrmaterialien dazu, dass sich der Druck einer eingeschlossenen Flüssigkeit schon bei geringer Temperaturerhöhung sehr stark erhöhen kann. Ohne Zusatzmaßnahmen wie z. B. Ausgleichsgefäße kann diese Druckerhöhung zur Zerstörung von Rohrleitungen und Druckbehältern führen.

Die Volumenänderung \Delta V \!\, einer Flüssigkeit je Kelvin Temperaturänderung\Delta T \!\, wird beschrieben durch den medienabhängigen kubischen Ausdehnungskoeffizienten \gamma\!\,:

\gamma = \frac {\Delta V} {\Delta T \mathrm{\ [in\ K]}}.

Je höher sein Wert, desto höher die Druckerhöhung.

Faustformel: 1 Liter Ausdehnung pro kW ⇒ 12 Liter ⇒ 12 kW

Ist das Ausdehnungsgefäß falsch ausgelegt oder defekt, kann der Druckunterschied den Wirkungsgrad der Heizanlage erheblich beeinflussen, selbst wenn diese dann noch funktioniert. Ein Effizienzverlust von bis zu 10 % ist hier durchaus möglich.

Einsatzbereiche[Bearbeiten]

Häufigste Einsatzbereiche von Ausdehnungsgefäßen sind Heizungsanlagen, Brauchwasser-, Kaltwasser-, Solar- (mit Wasser-Glykol-Gemisch) und Hydrauliköl-Kreisläufe.

Ausführungen[Bearbeiten]

Geschlossenes Ausdehnungsgefäß[Bearbeiten]

Druckhaltung über vorgespanntes Gaspolster

Membranausdehnungsgefäß[Bearbeiten]

Membranausdehnungsgefäß

Membranausdehnungsgefäße sind mit einer flexiblen Gummimembran ausgerüstet, die Flüssigkeit und Gaspolster trennt, und vermeiden so weitestgehend den Gasübergang in die Flüssigkeit. Eine sonst regelmäßig notwendig werdende Anlagenwartung entfällt, weswegen in modernen Heizungs- und Sonnenkollektoranlagen ausschließlich diese Bauart verwendet wird.

Bei Erwärmung dehnt sich die nahezu inkompressible Flüssigkeit aus und verdichtet das Gaspolster auf der anderen Membranseite. Aufgrund der flexiblen Membran besteht ein Druckausgleich zwischen Flüssigkeit und Gaspolster, soweit der Anlagendruck bei der niedrigsten Temperatur über dem Vorspanndruck der Membran liegt. Das Gaspolster kann als ideales Gas betrachtet werden. Die relative Druckänderung im System bei Temperaturänderung ist dann proportional zur relativen Volumenänderung der Flüssigkeit (hydraulische Kapazität).

Bei der Dimensionierung eines Membranausdehnungsgefäßes müssen berücksichtigt werden:

  • Flüssigkeitsvolumen
  • geringste und höchste Temperatur des Wärmeträgers
  • kubischer Ausdehnungskoeffizient der Flüssigkeit sowie
  • der höchst zulässige Anlagendruck.

Das Ausdehnungsgefäß muss vom Volumen her so dimensioniert sein, dass der Druck bei der höchsten und niedrigsten Temperatur in der Anlage nicht unzulässig unter- oder überschritten wird. Bei Verwendung anderer Flüssigkeiten als Wasser (z. B. Ethylenglykol/Wasser-Gemisch) ist zu beachten, dass der Ausdehnungskoeffizient deutlich über dem von Wasser liegt und das Volumen des Ausdehnungsgefäßes entsprechend größer sein muss.

Grundsätzlich sind vier Zustände von Membranausdehnungsgefäßen zu unterscheiden:

  1. Wasserseitig drucklos: Der Stickstoff hat die Membran vollständig an die Behälterwand gedrückt. Der Druck kann kontrolliert und eingestellt werden gemäß den Herstellerangaben und der Berechnung.
  2. Wasserseitig druckbelastet im kalten Anlagenzustand: Der Stickstoff und das Wasser halten sich die „Waage“, das Wasser hat die Membran von der Behälterwand gelöst.
  3. Wasserseitig druckbelastet im warmen Anlagenzustand: Der Stickstoff ist komprimiert durch die Volumenänderung des Heizungswassers.
  4. Wasserseitig druckbelastet ohne Stickstoffpolster: Der Stickstoff ist entwichen und das ADG kann seine Aufgabe nicht erfüllen.

Ausdehnungsgefäß ohne Membran[Bearbeiten]

Geschlossene Ausdehnungsbehälter ohne Membran sind mit einer direkten druckbeaufschlagten Stickstoffüberlagerung ausgeführt. Sie sind üblicherweise mit einer Stickstoffnachspeiseeinrichtung versehen, weshalb sie nur in Sonderfällen Verwendung finden.

Offenes Ausdehnungsgefäß[Bearbeiten]

Offene Ausdehnungsgefäße werden an der höchsten Stelle des Kreislaufes angebracht (Druckhaltung über Fallhöhe) und sind mit dem hydraulischen System unabsperrbar über eine Sicherheitsleitung verbunden. Da sich Luftsauerstoff im Wasser lösen und Korrosion verursachen kann, findet man diese Form nur noch bei alten Heizungsanlagen. Ein offenes Ausdehnungsgefäß ist auch der Wasserhochbehälter bzw. Wasserturm in Trinkwasserversorgungsanlagen. Durch diesen wird bei gleichzeitiger Vorhaltung einer größeren Wassermenge eine Vergleichmäßigung des Drucks bei den Verbrauchern erreicht.

Pumpendruckhaltung[Bearbeiten]

Bei Systemen mit sehr großen Flüssigkeitsvolumina wird die Pumpendruckhaltung eingesetzt: bei Druckabfall fördert eine Diktierpumpe Wasser in das System, bei einer Druckerhöhung wird Wasser über Überströmventile oder druckabhängig angesteuerte Magnetventile in einen drucklosen Auffangbehälter geleitet. Dieser hat in der Regel eine Gummimembran, um die Diffusion von Luftsauerstoff in die Flüssigkeit zu verhindern.

Besondere Anforderungen[Bearbeiten]

  • Das ADG gehört zur sicherheitstechnischen Ausrüstung von Warmwasserheizungen und muss gemäß DIN EN 12828 jährlich gewartet werden.
  • Geschlossene hydraulische Kreise mit Ausdehnungsbehälter müssen mit einem Sicherheitsventil ausgerüstet werden, da bei einer Beschädigung der Membran und Gasverlust ein Überdruck im System auftreten kann.
  • Da die Betriebstemperatur der Membran beschränkt ist (meistens auf ca. 80 °C), muss bei Anlagen mit hohen Wärmeträgertemperaturen ein Vorschaltgefäß vor dem Membranausdehnungsgefäß installiert werden, in dem sich die Temperatur schichtet und eine Abkühlung erfolgt.
  • Ein Membranausdehnungsgefäß im Trinkwassernetz muss einen Zwangsdurchlauf haben, um Legionellenbildung zu vermeiden.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]