Anlagenmechanik

Verunreinigungen in den Rohrleitungen, hervorgerufen durch Hanf, Dichtmittel, Rost , Zunder, Schweißperlen usw., sind oft Ursachen von Störungen an Wärmetauschern, Ventilen, Pumpen, Mischern und Messgeräten. Verschmutzungen können sich auf die Lebensdauer einer Wärmepumpe, und anderen Teilen der Anlagenmechanik verhängnisvoll auswirken. Ärgerlich ist es, das solche entstandene Schäden erst einige Zeit nach der Inbetriebsetzung der Anlage auftreten. Wenn dann Störungen der Heizanlage noch im Winter vorkommen, ist es besonders belastend. Meistens muss das Heizwasser abgelassen werden, Wärmetauscher ausführlich gespült werden, einzelne Teile der Anlage müssen meist umständlich ausgebaut werden, Teile der Isolierung der Rohrleitungen demontiert werden, usw. Dabei kommt einiges an teurer Arbeitszeit zusammen, ganz zu schweigen von den Unannehmlichkeiten die für den Hausbesitzer in der kalten Jahreszeit entstehen. Und das nur, weil bei der Installation der Anlage, aus was für Gründen auch immer, ein ordentlich arbeitender Schmutzfänger nicht montiert worden ist.

Gerade bei besonders günstigen Anbietern, sollte der Auftrageber ausdrücklich achtgeben, das ein Schmutzfänger an der richtigen Position in der Anlage verbaut wird. Immer wieder kann man kopfschüttend bei Heizanlagen feststellen, das kein Schmutzfänger montiert ist, obwohl sein Einbau vom Preis hergesehen, unbedeutend ist.

Schmutzfänger schützen ihre wertvolle Wärmepumpe und ihre Armaturen. Ein feines Sieb aus Edelstahl filtert rostfrei die gefährlichen Fremdkörper aus dem Medium heraus. Für besonders hohe Ansprüche können die Schmutzfänger mit zusätzlichem Feinsieb ausgerüstet werden.

Schmutzfänger eigenen sich für Gas-, Wasser-, Dampf,- Öl- und andere Medien. Sie sind für verschiedene Druckstufen ausgelegt sein. Der große Siebkorb aus rostfreien Edelstahl sammelt die Schmutzteilchen. Eine strömmungstechnisch günstige Gestaltung bewirkt einen geringen Durchflusswiderstand.

Beim Einbau der Schmutzfänger ist auf die richtige Montage zu achten, was von der Flussrichtung abhängig ist. Außerdem muss der Monteur auf die Lage des Siebkorbes achtgeben. Für den Ausbau des Siebes zur regelmäßigen Reinigung muss genügend Platz vorgesehen werden. Damit überhaupt eine Reinigung ohne besondere Umstände möglich ist, sollte der Schmutzfänger zwischen zwei Absperrschiebern gesetzt werden. Das kann unter Umständen mit anderen Armaturen geschehen. Bei Warmwasserheizungen ist zu beachten, dass das gesamte Heizungswasser durch den Schmutzfänger fließt. Deshalb sollte er nicht in die Beimischleitung zum Mischer eingebaut werden.

Wie wird der Schmutzfänger gereinigt? Den Schmutzfänger abschiebern, nach dem Abnehmen des Deckels kann das Sieb herausgenommen werden, und gewissenhaft gesäubert werden. Je nach Verschmutzungsgrad des Mediums ist ein mehr oder weniger häufiges Reinigen notwendig.

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Fazit: Insbesondere beim Einsatz einer Wärmepumpe (aber auch anderer Wärmeerzeuger) muss wegen der Gefahr der Verunreinigung der Wärmetauscher ein Schmutzfänger an geeigneter Steller in der Anlagenmechanik montiert werden. Versäumnisse dieser Art wird der Betreiber der Anlage früher oder später bedauern.

Heizungsanlagen können nur sicher betrieben werden, wenn die Temperatur nicht unzulässig ansteigt, oder in Folge zu hohen Drucks eine gefährliche Situation durch Wasser und Dampfaustritt entstehen könnte. Deshalb müssen Heizungsanlagen mit sicherheitstechnischen Einrichtungen versehen werden.

Offene Anlage:
Bei den alten Schwerkraftheizungen wurde früher an der höchsten Stelle, meist auf dem Dachboden, eines Hauses ein großes offenes Ausdehnungsgefäß mit überlauf und Lüftungsleitung montiert. Das nach oben offene Ausdehnungsgefäß verhindert einen überhöhten Anlagendruck, und die Temperatur des Heizungswassers steigt bis max. 100°C an. Das offene Ausdehnungsgefäß ist mit der Atmosphäre in Verbindung.

Wärme und Dampf kann im wahrsten Sinne des Wortes bei einer offenen Anlage gefahrlos an die Umgebung abgelassen werden. Die Rohrleitungen müssen immer eine leichte Steigung haben, damit keine gefährlichen Luftblasen die Wasserzirkulation verhindern. Das offene Ausdehnungsgefäß ist mit dem Sicherheitsvor- und Rücklauf mit dem Heizkessel verbunden und muss bei Wärmedehnung das heiße Heizwasser aufnehmen können. Da das Ausdehnungsgefäß auf dem Dachboden zu finden ist, sind Schutzmaßnahmen gegen Einfrierung im Winter zu beachten. Der Anlagendruck einer offenen Anlage liegt bei einem normalen Einfamilienhaus bei ca. 0,7 bar und ist weitaus geringer als bei einem geschlossenen System.

Da immer wieder durch das offene System Wasser aus dem Ausdehnungsgefäß verdunstet, muss regelmäßig sauerstoffhaltiges Frischwasser nachgefüllt werden. Dies führt zu Korrosion und Verschlammung von eisenhaltigen Bauteilen in der Anlagenmechanik, und ist ein erheblicher Nachteil.

Geschlossene Anlage:
Beim Umbau von Öl- und Gaskessel auf eine Heizung mit Wärmepumpe müssen Anlagen mit einem offenen Ausdehnungsgefäß auf ein geschlossenes Heizungssystem umgebaut werden. Hierbei können unangenehme Überraschungen auftreten, da sich nun der Anlagendruck auf ca. 1,5 bar erhöht. Alte Rohrleitungen und Stahlheizkörper können feine Risse aufweisen und durch den erhöhten Anlagendruck treten nun Dichtungsprobleme auf, die früher beim offenen System nicht zu bemerken waren. Durch ein geschlossenes Heizungssystem werden Probleme im Zusammenhang mit Sauerstoff vermieden. Vor Inbetriebnahme muss die gesamte Anlage gespült werden. Durch die Verschlammung würde der Wärmetauscher in der Wärmepumpe langsam aber sicher verstopfen, und eine Funktionsstörung ist vorprogrammiert. An einer geeigneten Stelle muss noch sicherheitshalber ein Schmutzfänger montiert werden.

Ebenfalls wird in geschlossenen Heizkreisläufen mindestens ein Ausdehnungsgefäß montiert, welches mit der Atmosphäre keine Verbindung hat. Es hat ebenfalls die Aufgabe das Ausdehnungsvolumen des Heizungswassers aufzunehmen und damit den erforderlichen Anlagendruck konstant zu halten. Die maximale Temperatur in einer geschlossenen Anlage liegt bei 120°C. Der Druck in der Anlage ist höher als der normale Luftdruck. Es werden ausschließlich Membranausdehnungsgefäße (MAG) verwendet.

Im Ausdehnungsgefäß befindet sich im Innern eine Stickstoffblase, die über ein Füllventil auf einen bestimmten Vordruck eingestellt werden kann. Vom Hersteller werden Gasfüllungen mit Abstufungen von 1,5 - 10 bar geliefert. Der Monteur kann über dieses Ventil, mit Hilfe eines mobilen Manometers mit Absperrventil einen Feinabgleich durchführen.

Ferner muss ein Ausdehnungsgefäß absperrbar und entleerbar sein, um einen Wechsel im Falle eines Falles leicht durchführen zu können. Um ein unbeabsichtiges Schliessen des Absperrventils zu verhindern, werden blombierte Kappenventile verwendet. Das MAG muss auf den richtigen Vordruck, der auf einem Typenschild geschrieben wird, justiert werden. Dadurch wird ein späterer Austausch erleichtert. Der Vordruck ergibt sich aus dem berechneten Gasvordruck und der statischen Höhe der Anlage, zuzüglich wird ein Wert von 0,2 bar zugeschlagen, um spätere Druckverluste auszugleichen.

Bei der Befüllung der Heizungsanlage muss das Ausdehnungsgefäß wasserseitig gefüllt werden, um eine Wasserreserve aufzubauen, die kleine Undichtigkeiten ausgleicht. Drei Liter Wasser muss ein MAG von ca. 15 Liter Nennvolumen mindestens aufnehmen können. Zu beachten ist, dass ein Ausdehnungsgefäß grundsätzlich im Heizungsrücklauf montiert wird. Im Heizungsbereich einer geschlossenen Anlage hat das Ausdehnungsgefäß eine rote Farbe mit der Bezeichnung MAG-H. Zur Unterscheidung ist in Trinkwarmwasseranlagen die Farbe grün mit der Bezeichnung MAG-W.

Der Begriff Armatur kommt aus dem lateinischen und bedeutet Bewaffnung. Übertragen wird dieser Begriff auf Bedieneinheiten, die Flüssigkeiten, Gase oder Dickstoffe in Maschinen steuern, regeln, messen oder absperren. Anzeigende und registrierende Armaturen befinden sich in der Armaturentafel, wie zum Beispiel dem Armaturenbrett im Kraftfahrzeug.

Der Begriff Armatur wird in der Sanitär- und Heizungstechnik oft verwendet. Bezeichnet werden damit Wasserhähne, Absperrventile, Absperr- Schieber und Klappen, Entlüftungsventile, Rückflussverhinderer, Reinigungssiebe und kombinierte Freiflussventile mit Rückflussverhinderung ( KFR-Ventile ) . Eine Armatur wird somit in Rohrleitungen eingesetzt und dient zum Steuern und Regeln von Gasen und Flüssigkeiten, auch Fluide genannt. Die Steuerung und Regelung der Armatur kann von Hand oder mit Stellmotoren erfolgen.

Eine Sicherheitsarmatur schaltet selbständig den Durchfluss bei einem bestimmten Betriebzustand. Kehrt der vorbestimmte Betriebszustand zurück, schaltet die Sicherheitsarmatur wieder in ihre Ursprungsstellung retour. In der Heizungstechnik haben Regelarmaturen die Aufgabe einzelne hydraulische Stränge zu regeln.

Das Wort Hydraulik hat seinen Ursprung aus dem Griechischen ( Hydro = Wasser Flüssigkeit ) und behandelte ein Teilgebiet der Strömungslehre. Heute versteht man unter Hydraulik technische Verfahren und Anlagen zur Kraftübertragung mittels Flüssigkeiten in einem geschlossenen Rohrleitungssystem zum Antrieb von Maschinen.

Die Regelung der hydraulischen Stränge wird durch Veränderung des Durchflussquerschnittes erreicht. Das kann in einer oder auch in mehreren Richtungen geschehen. Die Regelung der Volumenströme erreicht man mit unterschiedlichen Armaturen. Das sind Ventile, Schieber und Hähne.

Ein Ventil ( lateinisch = Belüftung ) ist ein Absperr- und Drosselorgan. Das Verschlusselement wird vorwiegend in Durchflussrichtung bewegt. Die Drosselung erfolgt stufenlos. In der Sanitär- und Heizungstechnik werden für Wasserleitungen meist Ventile eingesetzt, um große Druckstöße zu vermeiden. Ein Wasserhahn ist eigentlich ein Ventil weil die Durchflussmenge stufenlos eingestellt werden kann. Die Bezeichnung Wasserhahn ist nicht ganz korrekt, hat sich aber eingebürgert.

Ein Hahn ist eine Armatur zum Sperren einer Rohrleitung. Der Durchfluss wird entweder ganz freigegeben oder komplett sperrt. Beim Absperrhahn gibt es durch eine 90° Drehung nur zwei Schaltzustände; Zwischenzustände sind nicht vorgesehen. Bekannt sind z.B. Kugel und Kückenhähne zum schnellen Absperren einer Rohrleitung. Durch die schnelle Absperrung treten in der Rohrleitung große Druckstöße auf. Als Auslaufarmaturen sollten sie nicht verwendet werden, bzw. sind nicht zugelassen. Bei Gasleitungen ist ein Absperrhahn vorgeschrieben.

Ein Schieber ist ebenfalls ein Absperrorgan für Rohrleitungen. In einen parallel zum Rohr fest eingebauten Sitz wird eine Platte oder ein Keil so bewegt, dass der Durchfluss reguliert werden kann. Schieber werden z.B. bei großen Wasserleitungen eingesetzt.

Ein Wasserschieber ist ein großer Wasserhahn, wie er auf Bürgersteigen und Straßen zu finden ist. Mit einem großen Vierkantschlüssel können Mitarbeiter der Wasserwerke die Wasserleitung zu- und aufschiebern , bzw. zu- und aufdrehen. Nach dem Abschiebern können Wartungsarbeiten an der Wasserleitung vorgenommen werden.

Zur Regelung unterschiedlicher Volumenströme werden Mischventile oder Mischschieber eingesetzt. In Warmwasserheizungen werden die einzelnen Rohrleitungen für die Heizung mit Mischschieber geregelt. Ein Dreiwegemischer besitzt drei Anschlüsse mit Muffen oder bei größeren Armaturen mit Flanschen. Mit dem Dreiwegemischer erreicht man eine Misch- oder Mengenregelung, analog dazu eine Temperatur- oder Volumenstromregelung.

Eine Temperaturregelung erreicht man durch Mischen von wärmeren und kälterem Wasser. Im Dreiwegemischer wird heißes Kesselvorlaufwasser mit kälteren Wasser aus dem Heizungsrücklauf gemischt und zum gemeinsamen Heizungsvorlaufwasser vereinigt. Die Stellung des Drehschiebers im Mischer beeinflusst die Heizungsvorlauftemperatur. Der Dreiwegemischer eignet sich sehr gut für Fussbodenheizungen, es muss jedoch die niedrige Rücklauftemperatur zum Kessel beachtet werden.

Beim Einsatz von Brennwertkesseln und Wärmepumpen ist der Dreiwegemischer geeignet.

Für Standard- und Festbrennstoffkessel benötigt man einen Vierwegemischer mit ebenfalls vier Anschlüssen, der jedoch nur eine Temperaturregelung zuläßt. In dem Vierwegemischventil enstehen jeweils ein Kessel- und ein Heizkreis. Im Heizkreis wird die Vorlauftemperatur für die Heizkörper geregelt, im Kesselkreis wird dem kalten Wasser vom Heizungsrücklauf, heißes Wasser vom Heizungskessel zugemischt. Durch das Vierwegemischventil ergibt sich eine Anhebung der Kesselrücklauftemperatur, die ca. 60° Celsius nicht unterschreiten sollte. Durch die richtige Stellung des Vierwegemischers werden Taupunktkorrosionen im Heizungskessel vermieden und seine Effizienz gesteigert.

Die allgemeine übliche Bauart einer Warmwasser Zentralheizung ist heute die geschlossene Anlage, um vorwiegend das Eindringen von Sauerstoff in das Heizungssystem zu vermeiden. In einer geschlossenen Anlage müssen Temperatur und Druck so geregelt und auch begrenzt werden, dass bestimmte Grenzwerte nicht überschritten werden.

In solch einem geschlossenen System müssen Sicherheitseinrichtungen verbaut werden. Diese Sicherheitseinrichtungen tragen dafür Sorge, dass die zulässige Vorlauftemperatur und ebenfalls der zulässige Betriebsdruck nicht überschritten werden. Ferner müssen Vorrichtungen zur Aufnahme von Volumenänderungen, und gegen Wassermangel in das System verbaut werden. Durch Druck- und Temperaturanzeigegeräte kann die Anlage überwacht werden.

Sicherheitseinrichtungen gegen zu hohe Temperatur:
Gegen zu hohe Temperaturen gibt es zur Absicherung zwei Möglichkeiten, einmal den Temperaturregler (TR) und den Sicherheitstemperaturbegrenzer (STB). Der Temperaturregler vergleicht mit Hilfe eines Temperaturfühlers den Ist-Wert mit dem eingestellten Soll-Wert im Wärmeerzeuger. über ein Stellglied wird der gewünschte Sollwert reguliert. Das sind heutzutage meistens elektronische Regler, die die gewünschten Temperaturen nach der Außentemperatur oder auch nach der Zeit ( Nachtabsenkbetrieb ) einstellen.

Ein Sicherheitstemperaturbegrenzer (STB) muss beim Ausfall des TR oder einer anderen Störung wie Wassermangel im System, den Wärmeerzeuger beim Erreichen einer bestimmten höchstzulässigen Temperatur die Energiezufuhr abschalten. Bei einer Wärmepumpe z.B. wird durch ein Schütz die elektrische Stromzufuhr unterbrochen. Bei öL- und Gasheizungen wird analog dazu die Brennstoffversorgung unterbrochen. Nachdem der STB ausgelöst hat, darf der Wärmeerzeuger sich nicht mehr selbstständig Wiedereinschalten. Der STB schützt somit den Wärmeerzeuger und andere Anlagenbauteile vor Beschädigung. Nach dem Abkühlen des Wärmeerzeugers und der Anlage kann der STB mechanisch entriegelt werden. Vorher sollte jedoch die Fehlerursache für das Auslösen des STB ermittelt und beseitigt werden.

Der höchste Schaltpunkt des TRs muss einen bestimmten Abstand zum Schaltpunkt des STBs haben. Bei einer Wärmepumpe liegt der Schaltpunkt des TRs bei 65°C, der des STBs bei 80°C.

Sicherheitseinrichtungen gegen unzulässigen Druckanstieg:
Wärmeerzeuger müssen mit einem Sicherheitsventil (SV) gegen unzulässige Drücke geschützt werden. Das Sicherheitsventil gehört zu den Sicherheitsarmaturen und ist die letzte Sicherung, wenn der TR und der STB nicht mehr funktionieren. Wird bei einer unvorhersehbaren Störung der Druckanstieg im System zu hoch, wird durch das Sicherheitsventil (SV) Dämpfe, Gase oder Flüssigkeiten in die Atmosphäre abblasen.

Wenn der Druck sich wieder normalisiert, schließt das SV wieder. Der Betriebsdruck liegt bei ca. 2,5 - 3,0 bar. Das Sicherheitsventil wird am höchsten Punkt des Wärmeerzeugers senkrecht montiert und ist mit einer roten Kappe gekennzeichnet. Die Abblaseleitung ist immer um eine Nennweitenstufe größer als die Zuleitung zum Sicherheitsventil. Die Abblaseleitung endet in einem offenes Gefäß, oder besser noch in einem Ablauftrichter. Das Abblasen von heißen Dämpfen und Flüssigkeiten muss sicher und gefahrlos geschehen können.

Sicherheitsventile müssen durch Drehung der roten Kappe regelmäßig einmal im Jahr auf Funktion geprüft werden. Falls man eine Funktionsstörung feststellt müssen Sicherheitsventile sofort erneuert werden.

Der französische Arzt Denis Papin baute schon Anfang des achtzehnten Jahrhunderts ein s.g. gewichtsbelastetes Kesselsicherheitsventil in einem Dampfkessel ein.

Druckmessgerät:
Zur überwachung des Drucks in einem geschlossenen System ist ein Manometer erforderlich, das im Heizungsvorlauf am Wärmeerzeuger montiert werden muss. Das Manometer (griechisch - manos bedeutet wacklig) hat eine Skala mit farbigen Markierungen. Im Normalfall wird als Referenz der Außendruck, also eine Atmosphäre benutzt. Am Manometer kann man den Betriebsdruck und den Ansprechdruck des Sicherheitsventils (Maßeinheit 0 bis 4 bar) ablesen. Bei Heizungsanlagen im unteren Leistungsbereich sind Manometer, Sicherheitsventil und ein automatischer Entlüfter zu einem Kesselsicherheitsblock vereint.