Fluidtechnik Grundlagen: Messgeräte, Pumpen, Ventile & Kreisläufe

Manometer

Ein Manometer ist ein Messgerät zur Druckmessung von Flüssigkeiten und Gasen in geschlossenen Behältern. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten: Flüssigkeitsmanometer und Metallmanometer (Aneroidmanometer). Viele Druckmessgeräte nutzen den atmosphärischen Druck als Referenz und messen die Differenz zwischen dem realen (absoluten) Druck und dem atmosphärischen Druck. Dieser Wert wird als Überdruck bezeichnet. Solche Geräte, wie Quecksilberbarometer und Aneroidbarometer, arbeiten nach ähnlichen Prinzipien. Der Überdruck wird entweder oberhalb oder unterhalb des atmosphärischen Drucks angegeben. Druckmessgeräte, die Drücke unterhalb des atmosphärischen Drucks messen, werden als Vakuummeter bezeichnet.

Das einfachste Flüssigkeitsmanometer besteht aus einer gebogenen Glasröhre, die mit einer geeigneten Flüssigkeit (z.B. Quecksilber, Wasser, Öl) gefüllt ist. Ein Ende des Rohres ist zur Atmosphäre hin offen, das andere ist mit dem Behälter verbunden, dessen Flüssigkeitsdruck gemessen werden soll. Die Flüssigkeit im Manometer steht in Kontakt mit der Flüssigkeitssäule im Behälter. Die Fluide erreichen ein Gleichgewicht, aus dem der Überdruck im Tank einfach abgeleitet werden kann.

In der Industrie werden fast ausschließlich metallische Manometer oder Aneroidmanometer eingesetzt. Aneroidmanometer sind so konstruiert, dass der zu messende Druck auf eine Membran wirkt, während der Außendruck auf die andere Seite wirkt. Das gebräuchlichste ist das Bourdon-Manometer, das aus einem spiralförmig gewundenen, an einem Ende abgedichteten Metallrohr besteht. Das offene Ende kommuniziert mit dem Behälter, dessen Druck gemessen werden soll. Erhöht sich der Druck im Rohr, neigt es dazu, sich zu entspannen und setzt einen Zeiger in Bewegung, der auf einer in Druckeinheiten kalibrierten Skala den Wert anzeigt.

Umwälzpumpen

Auch als Elektrozirkulationspumpen oder Zirkulationspumpen bekannt, erleichtern sie den Transport von Wärmeträgerflüssigkeit von den Kollektoren zum Speicher und für den späteren Verbrauch. Angetrieben von einem Elektromotor, liefern sie die nötige Energie, um die Flüssigkeit mit einem bestimmten Druck durch den Kreislauf zu transportieren. Es gibt verschiedene Arten von Elektrozirkulationspumpen:

Rotorpumpen (Nassläuferpumpen)

Diese sind leise, wartungsarm und werden direkt in die Rohrleitung mit horizontaler Achse montiert.

Monoblockpumpen

Diese können mit der Welle in jeder Position installiert werden.

Pumpen mit separatem Motor und Kupplung

Diese sind in der Regel lauter.

Das Betriebsverhalten einer Umwälzpumpe wird durch die Formel P = C * Δp dargestellt, wobei P die erforderliche Leistung, C der Durchfluss (in l/s) und Δp die Druckdifferenz zwischen zwei Punkten in einem Rohr ist. Dies bedeutet, dass die Pumpleistung vom Druckabfall und dem Durchfluss abhängt. Hersteller stellen diese Beziehungen in ihren Pumpenkennlinien dar, die für jede Pumpe spezifisch sind.

Im Laufe der Zeit können Rohre korrodieren, wodurch der Druckverlust zunimmt. Auch werden Berechnungen oft nur für Wasser durchgeführt, obwohl häufig Frostschutzmittel hinzugefügt wird. Aus diesen Gründen ist es ratsam, die Pumpe leicht zu überdimensionieren.

Pumpen verfügen oft über mehrere Geschwindigkeitsstufen. Hersteller geben dies in ihren Diagrammen an. Es ist ratsam, die Pumpe zunächst mit einer mittleren Geschwindigkeit zu betreiben, um die Geschwindigkeit bei Bedarf erhöhen oder senken zu können, falls die Pumpe unter- oder überdimensioniert ist.

Werden zwei Pumpen in Reihe geschaltet, erhöht sich die Förderhöhe bei geringer Durchflusszunahme. Werden sie parallel geschaltet, erhöht sich der Durchfluss bei geringer Druckzunahme.

Die Pumpe muss den Druckverlust im ungünstigsten Kreislauf überwinden. Ist der Kreislauf jedoch hydraulisch abgeglichen, kann die Pumpe entsprechend der Gesamtanforderung ausgewählt werden.

Zugehörige Elemente einer Umwälzpumpe

Dem Kreislauf sollte ein Filter vorgeschaltet sein, um Verunreinigungen aus Schweißnähten und dem restlichen System vor der Pumpe abzufangen. Ein Rückschlagventil verhindert, dass die Flüssigkeit zurückfließt und somit der Wärmetransport vom Kollektor zur Pumpe unterbrochen wird. Die Ventile (oft nummeriert 3 und 4) dienen dazu, die Pumpe im Falle eines Ausfalls zu isolieren und zu ersetzen.

Durch Schließen des Ventils 1 und Öffnen des Ventils 2 erhält man den Druck am Manometer auf der Druckseite. Durch Schließen des Ventils 2 und Öffnen des Ventils 1 erhält man den Druck am Manometer auf der Saugseite. Die Differenz der beiden Messwerte ergibt den Druckverlust der Anlage, der mit den Auslegungsdaten übereinstimmen sollte.

Auf der Saugseite der Umwälzpumpe muss ein Mindestdruck vorhanden sein, damit sie anlaufen kann. Die Gesetzgebung schreibt einen Mindestdruck von 0,2 bar oder 0,5 bar für hohe Temperaturen vor.

Wenn der Druckabfall an der Pumpe geringer ist als nötig, kann dies zu einer Unterdruckbildung in den Rohrleitungen führen. Dies begünstigt die Gasbildung im Wasser, da Pumpen nur für den Transport von Flüssigkeiten ausgelegt sind. Dies kann zu Kavitation führen, einer Implosion von Gasblasen in der Flüssigkeit, die die Pumpe beschädigt. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet.

Rückschlagventile

Rückschlagventile, auch als Einwegventile oder Rückflussverhinderer bekannt, sind dazu konzipiert, den Durchfluss von Gasen oder Flüssigkeiten in eine Richtung vollständig zu blockieren und in der entgegengesetzten Richtung freizugeben. Sie bieten den Vorteil eines minimalen Federwegs der Scheibe oder des Verschlusses von der geschlossenen zur vollständig geöffneten Position.

Sie werden eingesetzt, um den Druck in einer Rohrleitung aufrechtzuerhalten und Rückschläge zu verhindern. Der Durchfluss ist in der vorgesehenen Richtung frei, während er in der Gegenrichtung blockiert wird. Sie werden oft auch als Einwegventile bezeichnet.

Rückschlagventile werden häufig in Rohrleitungen von Pumpsystemen eingesetzt, um Wasserschläge zu verhindern, insbesondere in der Druckleitung der Pumpe.

Ausdehnungsgefäße

Ein Ausdehnungsgefäß absorbiert die Volumenänderung des Wassers in Warmwasserinstallationen. Steigt der Druck in der Anlage durch die Ausdehnung der Wärmeträgerflüssigkeit (Temperaturanstieg), strömt die überschüssige Flüssigkeit in das Gefäß und drückt auf eine Membran. Das dahinterliegende Gas wird komprimiert, wodurch Druckschwankungen vermieden werden.

Das Gas sollte Stickstoff sein, da Sauerstoff die Membran oxidieren und beschädigen kann. Es sollte immer ein Mindestflüssigkeitsvolumen vorhanden sein, um ein Verrutschen der Membran zu vermeiden. Das Gas sollte niemals über die Flüssigkeit gebracht werden, da sich sonst Lufteinschlüsse bilden, die zu Fehlfunktionen führen und die Membran korrodieren lassen können. Es gibt verschiedene Arten von Ausdehnungsgefäßen, darunter auch solche ohne Membran, die mit einem Gas arbeiten, das sich nicht mit Wasser mischt.

Bei offenen Ausdehnungsgefäßen besagt die Gesetzgebung, dass sie 0,2 % des Systemwasservolumens aufnehmen können müssen und in einer Höhe von 35 Fuß (ca. 10,6 Meter) über den Kollektoren positioniert werden müssen. Offene Ausdehnungsgefäße sind heutzutage jedoch weitgehend verboten oder unüblich.

Berechnung des Ausdehnungsgefäßes

Die Berechnung erfolgt nach folgender Formel:

• V_AG = Volumen des geschlossenen Ausdehnungsgefäßes
• V_Sys = Volumen des Wassers im System
• α = Ausdehnungskoeffizient bei maximaler Betriebstemperatur
• β = Druckkoeffizient, der sich aus dem maximalen und minimalen Betriebsdruck ergibt

Das Systemvolumen (V_Sys) setzt sich zusammen aus dem Volumen der Kollektoren, der Rohrleitungen und des Wärmetauschers. Die Volumina der Kollektoren und Wärmetauscher werden vom Hersteller angegeben, während das Rohrvolumen anhand von Tabellen (z.B. nach UNE-Normen) in Abhängigkeit von Durchmesser, Wandstärke und Durchfluss berechnet wird.

Durchflusssensor

Ein Durchflusssensor ist ein Gerät zur Erkennung des Flüssigkeitsflusses in einem Rohr. Er ist für alle Arten von nicht aggressiven Flüssigkeiten geeignet. Der Sensor wird seitlich in das Rohr eingeschraubt und verfügt über eine interne Lasche, die in Kontakt mit der Flüssigkeit steht. Diese Lasche wird durch die strömende Flüssigkeit bewegt und in einer bestimmten Position gehalten. Diese Bewegung wird über einen Federbalg nach außen auf einen Einwegschalter übertragen. Der Schaltpunkt kann mit einer zugänglichen Schraube eingestellt und an verschiedene Rohrdurchmesser durch Anpassen der Laschengröße angepasst werden. Diese Sensoren sind wesentliche Einrichtungen, um die Strömungsrichtung in einem geraden und vollständig gefüllten Rohr zu überwachen.

Glykol und Sole (Kühlflüssigkeiten)

Glykol (HO-CH2CH2-OH), systematisch als Ethan-1,2-diol bezeichnet, ist das einfachste Diol und ein Name, der auch für jedes Polyol verwendet wird. Sein Name leitet sich vom griechischen "Glico" (süß) ab und bezieht sich auf den süßen Geschmack dieser Substanz. Diese Eigenschaft wurde in betrügerischen Aktivitäten genutzt, um die Süße von Wein ohne den Zusatz von Zucker zu erhöhen, was durch Analysen erkannt wurde. Es ist jedoch giftig und kann Nierenfunktionsstörungen verursachen.

Eigenschaften

Glykol ist eine leicht viskose, farb- und geruchlose Substanz mit einem hohen Siedepunkt und einem Schmelzpunkt von ca. -12 °C (261 K). Es ist in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar. In der flexiblen Polyurethan-Industrie werden diese Produkte allgemein als "Polyole" bezeichnet.

Anwendungen

Glykol wird als Frostschutzmittelzusatz für Wasser in den Kühlern von Verbrennungsmotoren verwendet, ist ein Hauptbestandteil von Fahrzeugbremsflüssigkeiten und wird auch in chemischen Prozessen eingesetzt, wie der Synthese von Polyurethanen und einigen Polyestern, als Ausgangspunkt bei der Synthese von Dioxan oder als Lösungsmittel für Glykoldimethylether und Glykolmonomethylether.

Synthese

Glykol wird industriell aus Ethylen durch Oxidation mit Sauerstoff in Gegenwart von Silberoxid als Katalysator und anschließender Hydrolyse von Ethylenoxid gewonnen. Eine weitere Synthesemethode ist die Behandlung mit einer kalten, verdünnten oder unverdünnten Kaliumpermanganatlösung, die eine stereochemische syn-Hydroxylierung (Hydroxylierung mit Permanganat) bewirkt.

Wärmeträgerflüssigkeiten

Die Wärmeträgerflüssigkeit strömt durch den Absorber und transportiert Energie zum Wärmenutzungssystem (z.B. Speicher oder Wärmetauscher). Die am häufigsten verwendeten Typen sind Wasser und Frostschutzmittelgemische; es können aber auch Silikonöle oder synthetische Flüssigkeiten verwendet werden.

Die am häufigsten verwendeten Glykole als Frostschutzmittel sind Ethylenglykol und Propylenglykol. Die wichtigsten Merkmale von Frostschutzmitteln sind:

Eigenschaften von Frostschutzmitteln

• Toxizität: Sie können giftig sein. Daher enthalten sie oft Korrosionsinhibitoren, die vorteilhaft für die Anlagenkomponenten sind. Eine Vermischung mit Trinkwasser muss verhindert werden (z.B. durch einen höheren Sekundärdruck als Primärdruck, um eine mögliche Ruptur des Wärmetauschers zu vermeiden).
• Viskosität: Sie sind oft viskoser als Wasser, was zu einem höheren Druckverlust führt. Dies ist ein wichtiger Faktor bei der Auswahl der Pumpe, die in der Regel leistungsstärker sein muss.
• Ausdehnung: Sie dehnen sich bei Erwärmung stärker aus als Wasser. Dies erfordert ein entsprechend dimensioniertes Ausdehnungsgefäß, um Überdruck zu vermeiden. Ist das Ausdehnungsgefäß nur für Wasser ausgelegt, kann die Membran an ihre Grenze stoßen, was zu übermäßigem Druck im Kreislauf führen würde.
• Temperaturstabilität: Sie können oberhalb von 120 °C instabil werden. Bei Überschreitung dieser Temperatur können sie zu einer sehr ätzenden Säure zerfallen, was die Lebensdauer der Komponenten beeinträchtigt. Zudem verlieren sie ihre Frostschutzeigenschaften. Temperaturbeständigere Glykole sind verfügbar, aber teurer.
• Siedetemperatur: Die Siedetemperatur des Gemisches sinkt im Vergleich zu reinem Wasser. Dies könnte als Vorteil angesehen werden, da es bedeutet, dass mehr Energie absorbiert werden kann, bevor es zu Dampfbildung kommt.
• Spezifische Wärme: Die spezifische Wärmekapazität des Gemisches ist geringer als die von Wasser. Obwohl es mehr Energie aufnehmen kann, benötigt es auch mehr Energie, um diese wieder abzugeben, was bedeutet, dass nicht die gesamte aufgenommene Wärme effizient übertragen wird.

Zur Berechnung der benötigten Frostschutzmittelmenge für eine Anlage muss zunächst die historische Tiefsttemperatur am Standort ermittelt werden. Anhand dieser Information kann dann die vom Hersteller bereitgestellte Glykol-Konzentrationstabelle konsultiert werden, um den erforderlichen Prozentsatz zu bestimmen.

Sicherheitsventil

Ein Sicherheitsventil ist ein gesetzlich vorgeschriebenes Bauteil, das Anlagen vor Überdruck schützt. Es ist mit einer Feder ausgestattet, die bei Erreichen eines voreingestellten Drucks öffnet und so überschüssige Flüssigkeit ablässt.

Automatisches Füllventil

Ein Füllventil ermöglicht das Befüllen des Primärkreislaufs mit Wasser.

Anwendung

Ein automatisches Füllventil ermöglicht das erstmalige Befüllen und das automatische Nachfüllen von geschlossenen Heizkreisläufen. Es vereint in einem einzigen Ventil ein Druckminderventil und die Möglichkeit, den Durchflussweg zu kontrollieren. Der Manometeranschluss ermöglicht das Anbringen eines Manometers (als Zubehör erhältlich) zur exakten Druckkontrolle in der Anlage nach dem Befüllen.

Eigenschaften

• Gehäuse mit Innen- und Außengewinde
• Der eingestellte Druck wird durch Drehen des Handrads eingestellt.
• Der eingestellte Druck kann direkt am Handrad abgelesen werden.
• Das interne Ventil ist aus hochwertigem Kunststoff gefertigt und kann ersetzt werden.
• Zugelassenes Rückschlagventil nach DIN/DVGW
• Symmetrischer Eingangsdruck – Schwankungen im Eingangsdruck beeinflussen den Ausgangsdruck nicht.
• Absperrfunktion
• Optionale Ausstattung verfügbar

Einsatzbereich

Geschlossene Heizkreisläufe (DIN 4751)

Aufbau

Ein automatisches Füllventil besteht aus:

• Gehäuse
• Deckel mit Sollwertfeder und Skala
• Feder
• Druckminderer
• Internes Rückschlagventil
• Absperrventil mit Innenkeilwelle

Materialien

• Messing
• Deckel aus hochwertigem, hitzebeständigem Kunststoff
• Rückschlagventil aus hochwertigem, hitzebeständigem Kunststoff
• Verstärkte NBR-Membran
• NBR-Dichtungen
• Stahlfeder

Funktionsweise

Druckminderventile arbeiten nach dem Prinzip des Kräftegleichgewichts. Die Membran übt eine Kraft gegen die einstellbare Feder aus. Der Vordruck hat keinen Einfluss auf das Öffnen oder Schließen des Ventils. Aus diesem Grund beeinflussen Druckschwankungen im Zulauf den Ausgangsdruck nicht, da dieser ausgeglichen wird.

Das interne Rückschlagventil schützt die Trinkwasserverteilung, indem es Wasser nur in eine Richtung fließen lässt. Der Durchfluss drückt die Metallplatte gegen die Federkraft, wodurch das Ventil durch die Druckdifferenz geöffnet wird.

Luftabscheider

Luftabscheider dienen hauptsächlich dazu, Luftansammlungen in der Anlage zu entfernen.

Luftabscheider (im Kontext von Solaranlagen oft auch als Entlüfter bezeichnet) haben die Funktion, Luft aus dem Solarkreislauf während des Befüllens, Betriebs und der Wartung zu evakuieren.

Luftabscheider müssen am höchsten Punkt der Anlage und immer aufrecht installiert werden.

In der Solarindustrie sollten Luftabscheider immer ein vorgeschaltetes Absperrventil haben, um sie bei der Befüllung der Anlage isolieren zu können. Dies verhindert, dass Flüssigkeit aus dem Kreislauf durch den automatischen Abscheider entweicht, wenn die Flüssigkeitstemperatur ihren Verdampfungspunkt erreicht.

Schema eines geschlossenen Wasserkreislaufs

Im Primärkreislauf tritt Wasser in das System ein, das durch ein erstes Absperrventil kontrolliert wird. Dieses Ventil bleibt geöffnet, bis der Kreislauf vollständig gefüllt ist. Es dient auch dazu, den Kreislauf zu isolieren. Parallel dazu befindet sich die Umwälzpumpe, an der ein Manometer mit zwei Ventilen zur Messung des Drucks im Kreislauf angebracht sein kann. Danach folgt ein Rückschlagventil, um unerwünschte Thermosiphon-Effekte zu verhindern, wenn der Kollektor keine Energie aufnimmt. Nach den Solarkollektoren wird die Temperatur gemessen, um die Funktion des Kreislaufs zu steuern. Ist die Temperatur zu hoch oder zu niedrig, wird ein Drei-Wege-Ventil angesteuert und die Umwälzpumpe entsprechend betrieben. Am höchsten Punkt der Anlage befindet sich der Luftabscheider, der zur Entlüftung des Systems dient. Ebenfalls vorhanden ist das Sicherheitsventil, das Flüssigkeit aus dem Kreislauf ablässt, wenn der Druck den zulässigen Grenzwert überschreitet.

Im Sekundärkreislauf befindet sich der Speicher zusammen mit einer zusätzlichen Wärmequelle (z.B. Heizung), die in Reihe geschaltet sein kann.

Vorteile

Die Vorteile dieser Art von Kreislauf sind eine bessere Steuerung, zusätzliche Sicherheitseinrichtungen und eine Leistungssteigerung. Dies erweitert die Anwendungsmöglichkeiten und die geografische Einsatzfähigkeit.

Nachteile

Die Nachteile sind der Bedarf an zusätzlicher elektrischer Verkabelung, einer Steuerung und die höheren Kosten. Zudem erfordert das System mehr Wartung.