Ausdehnungsgefäß

Ausdehnungsgefäß einer Warmwasserheizung

Ausdehnungsgefäße sind Bauteile in hydraulischen Systemen, die zur Kompensation von Volumenschwankungen der Hydraulikflüssigkeit eingesetzt werden.

Zweck

In hydraulischen Systemen mit zeitlich sich ändernden Temperaturen wird eine so genannte Druckhaltung verschiedenster Ausführung installiert, welche die auftretenden Volumenänderungen zwischen minimaler und maximaler Temperatur aufnehmen.

Das Volumen von Flüssigkeiten nimmt bei Temperaturerhöhung zu und verringert sich bei fallenden Temperaturen, soweit die Dichteanomalie von Wasser bei 4°C außer Betracht gezogen wird. Dies führt dazu, dass sich der Druck einer eingeschlossenen Flüssigkeit schon bei geringer Temperaturerhöhung auf Grund der nur geringen Dehnungskapazitäten der verwendeten Rohrmaterialen sehr stark erhöhen kann. Ohne Zusatzmaßnahmen kann dieses in hydraulischen Systemen zu einer Zerstörung von Rohrleitungen und auch Druckbehältern führen.

Der medienabhängige kubische Ausdehnungskoeffizient beschreibt die räumliche Volumenänderung ΔV einer Flüssigkeit je Kelvin Temperaturänderung $\Delta T \mathrm{\ [in\ K]}$: $\left( \frac {\Delta V} {\Delta T \mathrm{\ [in\ K]}} \right)$. Je höher dieser Wert ist, desto höher die Druckerhöhung.

Technisch analog arbeiten die Membranspeicher, der Einsatzzweck ist hier jedoch Energiespeicherung und Druckstoßdämpfung.

Einsatzbereiche

Häufigste Einsatzbereiche von Ausdehnungsgefäßen sind Heizungsanlagen, Brauchwassernetze, Solarkreisläufe (mit Wasser-Glycol-Gemisch), Kaltwasserkreisläufe und Hydraulikölkreisläufe.

Ausführungen

Pumpendruckhaltung

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

Druckhaltung mit Ausdehnungsgefäß

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen offenen und geschlossenen Ausdehnungsgefäßen. Offene Ausdehnungsgefäße werden an der höchsten Stelle des Kreislaufes angebracht und sind mit dem hydraulischen System unabsperrbar über eine Sicherheitsleitung verbunden. Diese Form findet sich nur noch bei alten Heizungsanlagen, da durch diese offenen Systeme Sauerstoff im Wasser gelöst wird und Korrosion verursachen kann. In modernen Heizungsanlagen und Sonnenkollektoranlagen werden dagegen ausschließlich geschlossene Membranausdehnungsgefäße verwendet.

Es werden geschlossene Ausdehnungsbehälter eingesetzt, die entweder als Behälter mit einer direkten Stickstoffüberlagerung oder als Membranausdehnungsgefäß ausgeführt sind. Letztere sind mit einer flexiblen Gummimembran ausgerüstet, die Flüssigkeit und Gaspolster trennt. Membranausdehnungsgefäße vermeiden weitestgehend den Gasübergang in der Flüssigkeit. Eine sonst regelmäßig notwendig werdende Anlagenwartung entfällt. Ausdehnungsgefäße ohne Membran sind üblicherweise mit einer Stickstoffnachspeiseinrichtung versehen, weshalb diese nur in Sonderfällen Verwendung finden.

Membranausdehnungsgefäß

Bei der Erwärmung eines hydraulischen Systems 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 in dem System bei Temperaturänderung ist dann proportional zur relativen Volumenänderung der Flüssigkeit.

Bei der Konzipierung des Membranausdehnungsgefäßes für eine Anlage müssen Flüssigkeitsvolumen, geringste und höchste Temperatur des Wärmeträgers, kubischer Ausdehnungskoeffizient der Flüssigkeit sowie der höchst zulässige Anlagendruck berücksichtigt werden. 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. Ethylenglycol/Wasser-Gemisch) ist zu beachten, dass der Ausdehnungskoeffizient deutlich über dem von Wasser liegt und das Volumen des Ausdehnungsgefäßes entsprechend größer sein muss.

Es sind vier grundsätzliche Zustände von Membranausdehnungsgefäßen zu unterscheiden:

1. Wasserseitig drucklos: Der Stickstoff hat die Membran vollständig im Gefäß 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.

Umgangssprachlich kürzen Heizungsbauer den Begriff Ausdehnungsgefäße meist mit „ADG“ oder "Bombe" ab. Allgemein hat sich aber die Abkürzung MAG für MembranAusdehnungsGefäß durchgesetzt.

Besondere Anforderungen

• Ein Membranausdehnungsgefäß im Trinkwassernetz muss einen Zwangsdurchlauf haben, damit die Gefahr der Legionellenbildung vermieden wird.

• Da die Betriebstemperatur der Membran beschränkt ist (meistens 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.

• 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.

Weblinks

• Auslegung von Membranausdehnungsgefäßen gemäß EN 12828
• Ausdehnungsgefäße
• Die Geschichte der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik