Diese Seite stellt allgemeine Grundlagen zu Membrandruckbehälter dar
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• 1. Aufgabe von Druckbehältern
• 2. Wie funktionieren Druckbehälter?
• 3. Was sind Membrandruckbehälter?
• 4. Kontrolle von Membrandruckbehältern
• 5. Online-Rechner zu Dimensionierung von Membrandruckbehältern (Heizung)
• 6. Berechnung von Membrandruckbehältern zur Optimierung von Pumpenlaufzeiten
• 7. Einige Normen und Vorschriften zu Druckbehältern
• 8. Zu den Produktseiten der 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, werden die Wandungen so dünn wie möglich gefertigt. Durch den niedrigen Außendruck in großer Höhe würde bei fehlendem Druckausgleich die Raketenhülle 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 jedoch 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 sehen zwei wesentliche Konstruktionen für Membrandruckbehälter
 

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

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

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 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

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Copyright © 2003 GBT Grund-, Brauch-, Trinkwasseraufbereitung, Industrie- und Umwelttechnik Inh. Waltraud Mädl
Stand: 07. Januar 2008