Mehr als nur heiße Luft

Gasbildung im umlaufenden Wasser Störungen in HLK-Systemen vermeiden

Claude Bulthez von IMI Hydronic Engineering, dem weltweit tätigen Anbieter von Anlagen zur hydronischen Verteilung und Raumtemperaturregelung, erläutert das Problem von Gasbildung im umlaufenden Wasser von HLK-Systemen und stellt die effektivsten Gegenmaßnahmen vor.

Die größten Effizienzkiller in modernen Heiz- und Kühlsystemen für Gebäude finden sich im Wasser, mit dem die Energie von Wärmeerzeuger bzw. Kältemaschine via Heizkörper, Kühlkonvektor o.Ä. in die Umgebungsluft übertragen wird. Das Problem tritt auf, wenn sich Luftbläschen in der Anlage befinden oder später im laufenden Betrieb eindringen. Wird nichts dagegen unternommen, kann dies zu Betriebsstörungen oder kompletten Ausfällen führen.

Luft in der Heizungsanlage zerstört diese zwar nicht, ihre Energieeffizienz wird allerdings stark beeinträchtigt und höhere Betriebskosten entstehen. Korrosion und Schmutz können zu Pumpenausfällen führen, Ventile blockieren, den Durchfluss im Verbraucher senken und so Wärmeübertragung und -leistung verschlechtern. Zudem können störende Geräusche entstehen, da die Fließgeschwindigkeit steigt, wenn die KV-Werte durch die schlechtere Ventilfunktion bzw. Korrosion und Schmutzansammlungen immer weiter sinken.

Konkret geht es um eine Mischung atmosphärischer Gase, die in verschiedenen Formen im HLK-System (Heizung, Lüftung und Klimatisierung) vorkommt, sowie andere Gase, die durch chemische Reaktionen und Korrosion eindringen können.

Beim Befüllen der Anlage fangen die Probleme an

Luft kann nicht nur Blasen bilden, sondern sich auch in Wasser lösen, so dass das Wasser im HLK-System etwa 22 ml Luft pro Liter enthält. Die Mischung atmosphärischer Gase, die in das Wasser eindringt, besteht aus 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff, sowie Spuren von Kohlendioxid und anderen Gasen. Durch erhöhten Druck beim Befüllen der Anlage lösen sich oft größere Gasmengen, so dass die Konzentration der gelösten Gase durch Lufteinschlüsse, z.B. in Rohrbögen, weiter steigt. Der Stickstoffanteil kann dabei bis zu 40 ml/l erreichen, das Dreifache seines Gehalts in der Luft.

Auch wenn Stickstoff ein Inertgas (reak­tionsträge) ist, können Probleme entstehen, wenn die erhöhte Menge gelösten Stickstoffs aus der Lösung austritt. Es entstehen Blasen, die frei im Heiz-, Kühl- oder Solarsystem zirkulieren – ähnlich wie bei der Taucherkrankheit. Das Ergebnis sind störende Geräusche, eine schlechte Wärmeeffizienz und Gaseinschlüsse.

Sauerstoff ist nicht inert und reagiert mit dem Eisengehalt in ungeschütztem Stahl, so dass Korrosion entsteht. So verringert sich die Standardeinfüllmenge von 7,8 ml/l Sauerstoff durch Korrosion zu Eisenoxid auf bis zu 0,07 ml/l. Dies entspricht dem zulässigen Höchstgrenzwert von 0,1 mg/l für Sauerstoff – daher ist es wichtig, dass das HLK-System nach dem Befüllen abgedichtet bleibt, um das Risiko weiterer Korrosion auszuschließen.

Zu den anderen Gasen gehören Methan und Wasserstoff, die beide durch Reak­tio­nen zwischen Materialien und verschiedenen als Inhibitoren oder Verbesserer im System eingesetzten Chemikalien freigesetzt werden können. Bei falscher Konzentration kann dies zu Korrosion führen.

Korrosions- und Erosionsschäden

Korrosion macht den Stahl dünner und schwächt ihn, damit steigt die Gefahr für Undichtigkeiten, doch lange davor sind andere Folgen spürbar. Da der Rost im Wesentlichen aus beweglichen Partikeln besteht, fließt er mit dem Wasser mit und kann sich in Bereichen ablagern, in denen die Fließgeschwindigkeit niedrig ist. Rost- und/oder Magnetitablagerungen verstopfen Rohrquerschnitte, blockieren Heizkörperventile, Pumpen und Ventile.

Das resultiert in einer verminderten Fließgeschwindigkeit durch geringere Rohrquerschnitte und rauere Oberflächen, wodurch mehr Pumpenergie benötigt wird und selbst die Heizleistung des Wärmeerzeugers beeinträchtigt werden kann. Die Rostpartikel, die schnell durch das Wasser strömen, können innere Teile erodieren, was wiederum die Leistung mindert und das Risiko für einen Betriebsausfall erhöht.

Zirkulationsstörungen

Freie Gasblasen – hauptsächlich aus Stickstoff – senken die Wärmekapazität des Wassers. Pumpen arbeiten mit Luft-/Wassergemischen ineffizient und durch Kavitation können Metallteile zerfressen werden, was die Pumpeneffizienz herabsetzt. Zudem verhindert Luft, die in den Wasserkreislauf eindringt, eine effiziente oder sogar jedwede Ventilfunktion.

Weitere Probleme sind Lufteinschlüsse, die sich oben in den Heizkörpern sammeln und Luftblasen an Heizflächen – beides reduziert die Wärmeübertragung. Systeme, in denen Luftblasen zirkulieren, machen sich zudem durch laute Fließgeräusche oder gurgelnde Heizkörper bemerkbar.

 

In welcher Form
liegt die Luft vor?

Die Luft staut sich entweder an den höchsten Stellen, an denen das Wasser stagniert, bildet leicht erkennbare Gasblasen und Mikroblasen, die im Wasser mitfließen, oder hat sich komplett gelöst und ist so mit bloßem Auge nicht mehr erkennbar.

Gelöste Gase können zu einem Problem werden, wenn man nicht eingreift, da sie sich bei höheren Temperaturen/geringerem Druck zu Lufteinschlüssen entwickeln können. Dagegen sind die meisten Entlüftungsverfahren machtlos, nur die Druckstufenentgasung kann hier entgegenwirken.

Wie lässt sich der Luftgehalt im Wasser also reduzieren?

Wie bereits festgestellt, gehört Luft, ob in Form von freier Luft, Blasen, Mikroblasen oder gelöst, zu den Hauptursachen von Anlagenproblemen. Üblicherweise wird unbewegte Luft durch automatische Entlüfter oder manuelle Entlüftung beseitigt. Entlüfter sind nur an den höchsten Stellen wirklich sinnvoll, wo der Durchfluss sehr langsam ist oder stagniert, so dass sich Blasen ansammeln und abgelassen werden können, statt weiter mitzufließen. Blasen aus zirkulierendem Wasser können Entlüfter nicht effektiv entfernen.

Um Blasen vom fließenden Wasser zu trennen, kann man klassische Luftabscheider verwenden. Sie verringern die Fließgeschwindigkeit des Wassers, damit sich Luftblasen ansammeln können. Die gesammelte Luft muss regelmäßig über einen manuellen Entlüfter abgelassen werden, der größer ist und regelmäßig gereinigt werden muss. In Kombination mit einem automatischen (statt manuellen) Entlüfter sind klassische Luftabscheider dagegen wirkungslos.

Moderne Mikroblasenabscheider wie der „Zeparo“ von IMI Pneumatex helfen sowohl gegen Mikro- als auch Makroblasen. Sie kombinieren mehrere Trennprinzipien, um die Fließgeschwindigkeit zu drosseln, so dass sich immer größere Blasen bilden und nach oben steigen, die dann effizient durch den automatischen Entlüfter oben am Gerät entfernt werden. Mikroblasenabscheider sind umso effizienter, je geringer die statische Höhe und je höher die Systemtemperatur an der Einbaustelle ist.

Bei vollständig gelösten Gasen nutzen Entgaser zwei verschiedene Techniken, um Blasen aus der Lösung freizusetzen. Bei hohen Temperaturen kommt die thermische Entgasung zum Einsatz, im Gegensatz zur Versorgungstechnik der meisten normalen Gebäude, wo sich gelöste Gase nur mit Druckstufenentgasern effektiv beseitigen lassen.

Druckstufenentgaser werden seit vielen Jahren wirkungsvoll in HLK-Systemen in Gebäuden eingesetzt. Sie zapfen eine gewisse Menge Wasser ab und setzen sie einem Vakuum aus, das die Blasenbildung fördert. Die Gase werden anschließend in die Atmosphäre abgeblasen, das entgaste Wasser wird zurück ins System geleitet. Es gibt atmosphärische und Vakuum-Druckstufenentgaser. Atmosphärische Druckstufenentgaser lassen den Druck auf Luftdruck fallen, während Vakuum-Druckstufenentgaser einen Unterdruck im Wasser erzeugen, der eine starke Untersättigung verursacht.

Wird dieser Vorgang kontinuierlich fortgeführt, wird der Gehalt an gelösten Gasen in einem geschlossenen System schnell reduziert. Die Erfahrung zeigt, dass neu befüllte Anlagen von bis zu 200 m3, die bei der Befüllung gut entlüftet wurden, innerhalb von drei Wochen auf 8 ml/l entgast werden können. „Vento Vacusplit“-Entgaser von IMI Pneumatex nutzen ein Hochvakuum, wohingegen „Transfero Oxystop“-Entgaser von IMI Pneumatex mit einem Teilvakuum arbeiten.

Die universelle Entgasungslösung?

Entgasungen werden verschiedensten Anforderungen gerecht, eine Ausnahme bildet aber die Erstentlüftung. Bei Inbetriebnahme einer Anlage beseitigen automatische Entlüfter an den jeweils höchsten Stellen die meiste Luft aus der Anlage, da sie aber keine gelösten Gase aus dem Wasser (Entsättigung) entfernen können, ist ihre Wirkung auf zirkulierende Blasen und die damit zusammenhängenden Probleme in HLK-Systemen begrenzt.

Die effektivste Entgasung bieten „vollständige“ Vakuumentgaser, die auf eine etwa 70 %ige Beseitigung aller Gase aus dem Anlagenwasser, egal in welcher Form diese auftreten, programmiert werden. Bei einem solch niedrigen Gasgehalt ist das Anlagenwasser stark untersättigt und kann versehentlich eindringende Luft absorbieren. Vakuumentgaser sind vielfältig einsetzbar und eignen sich besonders für Kühlsysteme und Fußbodenheizungen, bei denen sich an Stellen mit geringer Durchströmung schnell Luftkissen bilden.

Ein Beispiel für die Effizienz der Vakuumtechnik ist die Baureihe „Vento“ von IMI Pneumatex, die auf Anlagenvolumina bis 200 m3 ausgelegt ist, darunter das neue Modell „Vento EcoEfficient“ für kleinere Projekte bis 10 m3, und die die Gase durch Verdüsung mit Dralleffekt restlos vom Wasser trennt. Diese Modelle besitzen eine Vakuumpumpe und eine Mikroprozessorsteuerung und können im automatischen Betrieb, Dauer- oder Intervallbetrieb eingesetzt werden, um höchste Energieeffizienz zu erreichen.

Wenn eine weniger gründliche Entgasung ausreicht, sind Teilvakuumentgaser eine gute Lösung. Modelle wie die der Baureihe „Transfero TV“ von IMI Pneumatex integrieren eine Oxystop-Entgasung mit Teilvakuum bis ca. –0,1  bar Unterdruck.

FAZIT

Auch wenn es viele mehr oder weniger effektive Lösungen für die Probleme gibt, die durch Luftblasen und Gase im Anlagenwasser entstehen, bleibt die Vakuum-Druckstufenentgasung zweifelsohne die wirkungsvollste Waffe gegen alle durch Luft verursachten Probleme. Sie ist für die meisten Heiz-, Kühl- und Solarsysteme erhältlich und sollte sorgfältig unter Berücksichtigung von Anlagenkonstruktion und -größe ausgewählt werden. Die Kombination mit anderen Produkten wie Entlüftungsventilen und Mikroblasenabscheidern kann auch oft sinnvoll sein und der Einsatzvielfalt der jeweiligen Anlage Rechnung tragen.

Weiterführende Informationen zu Entgasern, Entlüftungslösungen und Mikroblasenabscheidern von IMI Hydronic Engineering und dem neuen „Vento EcoEfficient“-Vakuum-Entgaser finden Sie auf www.imi-hydronic.de.

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