Wie funktioniert eigentlich ein Membransicherheitsventil?

Deckel drauf, zugeschweißt und dicht ist der Warmwasser- oder auch Pufferspeicher. Die Aufgabe für die nächsten Jahre ist es unter anderem, dem Druck des eingeschlossenen Wassers standzuhalten. Zumindest bis ein Überdruck von vielleicht 6 bar in dem Boiler herrscht, sollte dieser dicht bleiben. Bei Heizungsanlagen ist meist schon bei 2,5 oder vielleicht noch 3 bar Schluss. Aber was passiert, wenn es darüber hinausgeht? Gibt es irgendwann Beulen oder platzt die Büchse sogar?

Damit ein Platzen verhindert wird, sorgt der Anlagenmechaniker für eine geordnete, drucktechnische Öffnung des Systems. Das Membransicherheitsventil entlässt bei dem Erreichen eines Maximaldrucks etwas Wasser aus dem Speicher. Der Druck fällt dadurch schlagartig ab und bewegt sich danach normalerweise wieder im grünen Bereich. Wie aber funktioniert dieses Sicherheitsventil? Was ist zu beachten, wenn wir als Anlagenmechaniker damit umgehen?

Wasser: Ein inkompressibles Medium

Wasser gilt in flüssiger Form als inkompressibel. Das bedeutet konkret, dass es sich nicht in seinem Volumen verändert, wenn man Druck darauf ausübt. Das stimmt zwar nur bedingt, denn bei ungeheuer großen Drücken schiebt es sich ein wenig zusammen, kann aber für die Physik im täglichen Umgang stumpf angenommen werden. Wenn es sich also nicht zusammenpressen lässt, gibt es jede noch so kleine Druckänderung in einem geschlossenen Behälter an dessen Wandungen weiter.

Ein luftgefüllter Ballon lässt sich kneten und auch zusammendrücken. Ist dieser Ballon jedoch mit Wasser gefüllt, lässt er sich beim Quetschen in der Hand nur kneten. Er verändert seine Form, nicht aber sein Volumen. Jedes Nachfüllen von Wasser hätte einen Druckanstieg zur Folge.

Nimmt man einen fest ummantelten Fußball und drückt Luft hinein kann man die Pocke unterschiedlich hart aufpumpen. Mit Wasser wäre das nicht möglich, da nach einer Vollfüllung kein weiteres Wasser mehr hineingepresst werden kann.

Ausdehnung bei Erwärmung

Wasser in flüssiger Form besitzt seine größte Dichte bei 4°C. Erwärmt man es, ausgehend von diesen 4°C, so vollführen die Moleküle aus Wasserstoff und Sauerstoff immer wilder werdende Tänze. Diese Tänze sind raumgreifend und sorgen für eine Ausdehnung. Das Volumen wird mit zunehmender Temperatur also immer größer.

Aus diesem Grund werden in Wasserheizungsanlagen oder thermischen Solaranlagen immer auch Ausdehnungsgefäße verbaut. Ein starres System würde anderenfalls bersten. Das sich ausdehnende Wasser muss also irgendwohin und bei einer anschließenden Abkühlung auch wieder zurück in das jeweilige System.

Beim Trinkwasserspeicher kann man darüber diskutieren, ob ein Ausdehnungsgefäß notwendig erscheint. Man kann aber nicht darüber diskutieren, dass sich das Wasser ausdehnt. In Trinkwassersystemen führt es also ebenso zur Druckerhöhung, mit der man entsprechend umgehen muss.

Bersten verhindern

Die Volumenzunahme von Wasser bei Erwärmung führt also in jedem geschlossenen Behälter zu einer Druckerhöhung. Will man diese Druckerhöhung begrenzen, kann man ein einfach aufgebautes Ventil einsetzen, dass das System bei einem vorgegebenen Wert entlastet. Das inkompressible Medium tropft oder strömt kurz heraus und der Druck fällt schlagartig ab. Das Ventil schließt dann wieder.

Vorstellbar wären jetzt aufwendige, kleine Drucksensoren in jedem Boiler und eine App, die das Öffnen von Ventilen steuert. Das wäre aber zu aufwendig und bei Stromausfall wenig hilfreich. Einfacher ist ein System, das aufgrund der verbauten Einzelteile sicher erscheint und dabei ohne Fremdenergie auskommt. Das Membransicherheitsventil ist ein solches Bauteil. Es ist relativ genau und bleibt in der Regel funktionstüchtig. Allerdings sollte es trotz der schlichten Konstruktion auch entsprechend gewartet und gegebenenfalls erneuert werden.

Die Physik dahinter

Druck ist gekennzeichnet durch eine Kraft, die auf eine Fläche wirkt. Als Formel gilt daher ganz einfach:

p = F / A

Es bedeuten:

p = Druck in Pascal (Pa)

F = Kraft in Newton (N)

A = Fläche in Quadratmeter (m²)

Würde man mit einfachen Mitteln ein Sicherheitsventil bauen wollen, so sollte man sich über zwei Dinge klar werden:

1. Welcher Druck soll abgesichert werden?
2.  Wie groß soll die Fläche sein, auf der das Sicherheitsventil den Behälter bis zum Erreichen des Maximaldruckes verschließt?

Beispiel:

Der Druck soll, wie an einem gewöhnlichen Trinkwassererwärmer, auf maximal 6 bar ansteigen dürfen. Das abdichtende kreisrunde Plättchen, also das Sicherheitsventil, soll einen Durchmesser (d) von 22 Millimetern haben. Mit welcher Kraft muss dieses Plättchen heruntergedrückt werden und welcher Masse entspricht diese Kraft?

Aus der Formel

p = F / A

ergibt sich nach der Umstellung

F = p x A

Im Beispiel waren die Vorgaben:

p = 6 bar = 600 000 Pa = 600 000 N/m²

d = 22 mm = 0,022 m

Die Fläche der Dichtung errechnet man mit Einsatz dieser Formel:

A = d² x π/4

oder vereinfacht

A = d² x 0,785

A = (0,022 m)² × 0,785

A = 0,00037994 m²

Setzt man diese Daten in die soeben umgestellte Formel ein, ergibt sich:

F = 600 000 N/m² × 0,00037994 m²

F = 227,964 N ≈ 228 N

Es reicht also aus, eine Kraft von 228 Newton auf diese Fläche wirken zu lassen, und die Dichtfläche bliebe bis zum vereinbarten Druck geschlossen. Stellt man sich die Frage nach der Gewichtskraft, die dazu notwendig ist, so wendet man die entsprechende Formel dazu überschlägig an. Diese lautet ebenso einfach:

F = m x g

Die Gewichtskraft „F“ ergibt sich aus „m“, also der Masse in kg, multipliziert mit „g“, also der Beschleunigung in m/s². Auf ein Gewicht, das auf diesem Plättchen ruht, wirkt dauernd die Erdbeschleunigung von rund 10 m/s² (genauer eigentlich 9,81 m/s²) und damit steht folglich fest:

m = F / g

m = 228 N / 10 m/s²

m = 22,8 kg

Das selbst gebaute Sicherheitsventil würde also funktionieren, wenn ein Gewicht von rund 23 Kilogramm auf das Plättchen mit dem beschriebenen Durchmesser von 22 mm gelegt würde.