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Membrandruckbehälter_FAQ

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Diese Seite stellt allgemeine Grundlagen zu Membrandruckbehälter dar


FAQ Membrandruckbehälter

1. Aufgabe von Druckbehältern

Druckbehälter sind Hohlkörper, deren Innendruck größer ist  als der atmosphärische Druck. Sie dienen zum einen zur Aufnahme von komprimierten Gasen wie z.B. Luft, Helium, Butan etc. oder zum anderen von Flüssigkeiten.
Bei Gasen können mit solchen Behältern, auch Windkessel oder Ausdehnungsfäße genannt, in kurzer Zeit große Mengen entnommen werden. Obgleich vorgeschaltete Kompressoren relativ klein bemessen werden können, erreicht man recht gleichmäßige Druckverhältnisse in der Druckleitung. Dies ist nicht nur für Lackierarbeiten, sondern auch für eine Reihe von Anwendungen wie z.B. druckluftbetriebene Antriebe wichtig.
Weiterhin kann Druckluft getrocknet werden, indem das anfallende Kondensat abgeführt wird.

Druckbehälter/Windkessel werden auch bei Flüssigkeiten verwendet. Auch hier liegt der Zweck darin, Druckschläge zu vermeiden  bzw. gleichmäßige Druckverhältnisse in der Rohrleitung zu erhalten.
Windkessel/Membrandruckbehälter dienen jedoch nicht nur zur Aufnahme der Ausdehnungswassermenge, sondern sie sollen auch Leckverluste des Leitungssystems durch eine entsprechende Wasservorlage ausgleichen.

Durch jede Gewinde- oder Pressverbindung entweicht nach einiger Zeit und je nach Druck- und Temperaturverhältnisse Wasserdampf.

Kühlt die Anlage z.B. bei Nachtabsenkung oder im Sommer ab, so muss dieser Verlust ausgeglichen werden, weil sonst im oberen Bereich der Anlage ein Unterdruck entstehen würde. Werden automatische Entlüftungsventile eingesetzt, führt der Unterdruck zum gegenteiligen Effekt:

Luft wird eingeschnüffelt, wodurch das Heizungswasser stark mit Sauerstoff angereichert wird!
Sauerstoff bewirkt in Heizungsanlagen eine starke Korrosion, welche wiederum große Schlammanteile hervorruft. Oben angeführter Ausgleich von Wasserverlusten verhindert diesen Unterdruck mit den geschilderten Folgen.

Zum anderen besteht die Möglichkeit, die unter Druck stehende Flüssigkeit transportabel zu nutzen. In früheren Zeiten, in denen nur handbetriebene Pumpen zur Verfügung standen, wurden Feuerwehrfahrzeuge mit solchen Druckbehältern ausgerüstet. Allein mit Handpumpenbetrieb wäre das Löschwasser lediglich stoßweise zur Verfügung gestanden. Auch die Löschweite wäre nur unbefriedigend gewesen.

Das gleiche Prinzip verwenden die heutigen Wasserpistolen, die kräftig vor dem Schuss mittels Pumpen unter Druck gesetzt werden.

Auch in modernen Raketen mit Flüssigtreibstoff wird das Windkesselprinzip angewendet. Damit die Nutzlast möglichst hoch ist, müssen die Wandungen so dünn wie möglich gefertigt werden. Durch den niedrigen Außendruck in großer Höhe würde bei fehlendem Druckausgleich die Raketenhülle dann jedoch verbeult werden.

Bei Hauswasseranlagen tragen Druckbehälter zur Schonung der Brunnenpumpen bei. Ohne Druckbehälter müsste die Pumpe auch bei einer kleine Abnahmemenge anspringen. Ständiger An-/Aus - Betrieb verkürzt alledings die Lebensdauer jeder Pumpe.

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2. Funktionsweise von Membrandruckbehältern und Windkesseln

Das lebenswichtigste Beispiel des Windkesselprinzips stellt unser eigenes Kreislaufsystem dar.  Die Natur löst dies sehr elegant und effektiv in unserem Arteriensystem. Die Arterien werden je nach Bedarf streckenweise geweitet oder verengt. Außerdem sind Strömungshindernisse "eingebaut". Funktioniert dieses System, z.B. wegen Arterienverkalkung nicht mehr richtig, können Druckstöße eintreten, die zu Schäden der Arterie führen können, oder die Blutzufuhr kann unterbrochen werden. Beides kann zu vorzeitigem Ableben führen, weswegen man der Pflege und Hege seiner Arterien Muße gönnen sollte.

Da wir dieses elegante Prinzip technisch noch nicht beherrschen, nutzt man das Prinzip der Aufweitung punktuell, das ist dann der Windkessel und als Strömungswiderstand den Ausgang des Windkessels.  Dies ist in den meisten technischen Systemen auch ausreichend.

Als praktischen Nebeneffekt kann der Windkessel auch zur Ansteuerung von Pumpen dienlich sein.

Zunächst wird in dem Kessel ein Vordruck hergestellt. Dies erfolgt oftmals mittels Druckluft, in vielen Fällen auch mit Stickstoff. Stickstoff besitzt größere Moleküle, die nicht so leicht durch die Wandung entwischen können.

Wenn nun Wasser, z.B. von einer Brunnenpumpe, in den Windkessel gepumpt wird, verdichtet sich das Gas, weil es komprimiert wird. (Wasser wird spürbar erst unter sehr hohen Drücken komprimiert).

In dem Gasraum befindet sich ein Druckmesser. Dieser kann so eingestellt werden, dass er z.B. bei einem Mindest- oder Maximalwert die Pumpe schaltet.

Wenn nun das Gas auf z.B. 2 bar komprimiert ist, drückt es nicht nur auf die Wandung des Windkessels, sondern auch auf die Wasseroberfläche. Wird nun die Leitung geöffnet, strömt das Wasser mit diesen 2 bar Druck aus der Leitung (in der Praxis müssen natürlich entsprechende Druckverluste eingerechnet werden)

Dadurch dass nun der Wasserstand im Kessel sinkt, dehnt sich das Gas im Kessel aus, wodurch auch der Druck sinkt. Bei Erreichen eines eingestellten Mindestdruckes schaltet der Druckschalter ein Relais, welches dann die Pumpe betätigt um den Kessel zu füllen.
Umgekehrt steigt beim Befüllen des Kessels der Druck. Die Abschaltung der Pumpe erfolgt wiederum über einen eingestellten Druckpunkt.

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3. Membrandruckbehälter/Ausdehnungsgefäße (MAG)

Im einfachsten Fall ist im Behälter Luft und Wasser, wie oben beschrieben, nicht getrennt. Es liegt nun auf der Hand, dass bei solchen Kesseln ein Lufteintrag in das Wasser erfolgt. Dies ist nicht bei allen Anwendungen, z.B. bei Heizungswasser, erwünscht.

Bei solchen Anwendungen wird das Gas bzw. Luft durch eine Membran voneinander getrennt
Solche Druckbehälter nennt man Membrandruckbehälter, Membranausgleichgefäße oder kurz MAG.

Nachstehend werden zwei wesentliche Konstruktionen für Membrandruckbehälter dargestellt:

3.1. Membrandruckbehälter z.B. für Heizungsanlagen (geringer Wasservorrat)

Membrandruckbehälter für kliene Heizungsanlagen
 

3.2. Membrandruckbehälter z.B. für Brunnen, bei größerem Wasservorhaltebedarf

 Schnittskizze durch einen Membrandruckbehälter

Da Ausdehnungsgefäße, wie angesprochen, eine Wasservorlage enthalten sollen, kann der Anlagenfülldruck nicht dem Stickstoffvordruck entsprechen. Im weiter unten befindlichen Online-Rechner ist die Wasservorlage dementsprechend berücksichtigt.

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4. Kontrolle/Wartung von Druckausgleichsbehältern

Die Kontrolle von Membranausgleichbehältern sollte jährlich im Rahmen der Brennerwartung erfolgen. Damit das Rohrleitungssystem nicht entleert werden muss, sind Absperrungen (mit Zulassung), eine Belüftungs- und Entleerungsventil von Nutzen.
Im übrigen verweisen wir auf die einschlägigen Verordnungen wie die Druckbehälterverordnung und entsprechende DIN.

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5. Dimensionierung von Membrandruckbehältern für Heizanlagen

Zur Berechnung der Größe eines Membrandruckbehälters können Sie nachfolgende  kleine Rechenhilfe nutzen. (Javascript muss aktiviert sein)
In der Rechnung berücksichtigt ist eine Wasserausgleichsmenge von 1%, mindestens jedoch drei Litern.

Bei Anlagen mit weniger als 300ltr Inhalt wurde ein im Verhältnis zum Anlagenvolumen größere Wasservorlage vorgesehen.

Sie benötigen folgende Angaben:

  • Wasserinhalt des Systems in Liter
  • Wasserausdehnungskoeffizienten aus Tabelle bei maximaler Wassertemperatur
  • Höhe der Heizungsanlage bzw. werkseitiger Vordruck des MAG
  • Enddruck der Anlage

Bitte geben Sie die  Werte in die gelb/ocker gekennzeichneten Felder ein. Verwenden Sie kein Komma, sondern den Punkt als Dezimaltrenner. Verwenden Sie nicht die Eingabetaste, sondern klicken Sie mit der Maus.
Falls das Ergebnis in den grün gekennzeichneten Feldern nicht erscheinen will, fahren Sie bitte mit der Maus darüber)

Wenn Sie das Anzeigen aktiver Inhalte bei Ihrem Browser eingeschränkt haben, funktioniert der Java-Skript-Rechner zur Auslegung der Druckbehältergröße nicht.

max. Wassertemp Ausdehnungs-Koeffizient Berechnung für Anlagen <300ltr >300ltr
30/35°C 0.40/0.58 Wasserinhalt Anlage in ltr
40/45°C 0.75/0.96 statische Höhe in mtr
50/55°C 1.17/1.42 Vordruck im MAG in bar
(meistens 1bar)
60/70°C 1.67/2.24 Soll-Systemdruck höchster Punkt
(bar)
80°C 2.86 Wasserausdehnungskoeffizient
(z.B bei 55°C = 1,42)
90°C 3.55 Nennvolumen des Membran-druckbehälters in ltr

Erklärung:

Im voreingestellten Berechnungsbeispiel bei Anlagen mit mehr als 300 ltr Inhalt ergäbe sich bei einer Wassertemperatur von 55°C ein Druckausgleichsbehälter mit 21 ltr Inhalt als Mindestgröße bei 1 bar werkseitigem Vordruck und bei 2 bar Solldruck an der höchsten Stelle in 6 mtr Höhe. Das Gesamtsystem hat also 3 bar.

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6. Dimensionierung von Membrandruckbehältern zur Laufzeitoptimierung von Pumpen

Diese Berechnung führen wir für Sie aus. Wir benötigen dazu folgende Angaben:

  • Pumpenleistung in ltr/h bzw. cbm/h

  • gewünschte Mindestpumpenlaufzeit (meistens 1 Minute)

  • Pumpeneinschaltdruck

  • Pumpenausschaltdruck

  • durchschnittlicher Luftdruck alternativ Höhe über NN

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7. Einige Vorschriften und Normen zu Druckbehältern

  • Druckbehälterverordnung

  • Dampfkesselverordnung

  • DIN 4807 Teil 1 Ausdehnungsgefäße

  • DIN 4807 Teil 2 Ausdehnungsgefäße

  • DIN 4807 Teil 3 Ausdehnungsgefäße

  • DIN 4807 Teil 4

  • DIN 4807 Teil 5

  • DIN 4857 Teil 1

  • DIN 4751-2

  • DIN 4751 Teil 3

  • DIN 4752

Die Normen werden zur Zeit durch EN Vorschriften abgelöst.

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