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Druckbehälter

Ein Druckbehälter ist ein teilweise mit Förderflüssigkeit und teilweise mit einem Gas (oft Luft) gefüllter Behälter, dessen Innendruck in der Regel größer ist als der Atmosphärendruck. Druckbehälter werden zum Speichern von Förderflüssigkeit unter erhöhtem Druck (z. B. bei Druckerhöhungsanlagen), zur Abschwächung von Druckstößen und als Energiespeicher zum Verlängern der Auslaufzeit von Kreiselpumpen eingesetzt. Die Dimensionierung und Ausrüstung mit Armaturen, Druckluftversorgung und Messeinrichtungen ist auf der Basis einer Druckstoßberechnung festzulegen.
Die Druckbehälter für die automatische Druckschaltung von Wasserversorgungsanlagen (siehe Druckerhöhungsanlage) werden meist stehend angeordnet und selten liegend.
siehe Abb. 1 Druckbehälter

Druckbehälter: Automatische Druckschaltung von Wasserversorgungsanlagen Abb. 1 Druckbehälter: Automatische Druckschaltung von Wasserversorgungsanlagen

Die Behältergröße wird durch die stündliche Schaltzahl (Z) des Pumpenaggregates beeinflusst. Sie ist von verschiedenen Faktoren abhängig und sollte grundsätzlich von den Elektromotorlieferanten angefragt werden (siehe Einschalthäufigkeit). 

Der tiefste Wasserspiegel beim Einschaltdruck (pe) muss so gewählt werden, dass keinesfalls Luft in die Druckleitung gelangen kann. Das Behältervolumen (V) sollte daher um 25 bis 40 % größer als das wirksame Behältervolumen (J) sein. Als zusätzliches Einbauteil kann ein Druckluftsperrventil vorgesehen werden. Dieses hat die Aufgabe, unerwünschtes Eindringen von Druckluft in die Druckleitung zu verhindern. Bei anderer Anordnung der Anschlussleitungen (z. B. in Hauswasserversorgungsanlagen) sowie bei liegenden Behältern ist die Wasserstandshöhe zu prüfen und evtl. ein tiefer gelegter Anschluss vorzusehen (z. B. Dom). 

Für die Berechnung der Behältergröße ist in nachfolgender Formel bereits ein Sicherheitszuschlag von 25 % berücksichtigt.
Druckbehälter_Formel_1

siehe Abb. 2 Druckbehälter

Druckbehälter: Korrekturfaktor K Abb. 2 Druckbehälter: Korrekturfaktor K


Der Anteil des nutzbaren Wasservolumens (S) am Gesamtvolumen (V) hängt nur vom Ein- und Ausschaltdruck ab und berechnet sich wie folgt:


Druckbehälter_Formel_2


Zur Verringerung der Behältergröße kann bei Anlagen mit mehreren gleichen Pumpen die Schalthäufigkeit durch eine zyklische Vertauschung vergrößert werden. Besonders bei kleineren Anlagen werden Membranbehälter vorgesehen, weshalb hier dann weder Druckluft-Sperrventil noch Verdichter erforderlich sind. Auf den 25 bis 40 prozentigen Zuschlag zum wirksamen Behältervolumen (J) kann ebenso verzichtet werden.
Die Anzahl der Pumpen in einer Druckerhöhungsanlage ist für die Berechnung des Behältervolumens ohne Bedeutung. Bei mehreren Pumpen unterschiedlicher Förderleistung ist der mittlere Förderstrom der größten Pumpe in die Gleichung einzusetzen. Bei Anlagen, in denen mehrere Pumpen durchflussabhängig gesteuert werden und nur die Grundlastpumpe druckabhängig geschaltet wird, ist das Behältervolumen entsprechend dieser auszulegen. 

Eine Aufteilung des errechneten Behältervolumens auf mehrere Druckbehälter ist zweckmäßig, wenn sich dabei günstigere Raumverhältnisse ergeben und dadurch die Anlagenkosten gesenkt werden. Bei Aufteilung auf zwei Druckbehälter kann die Schaltung so gewählt werden, dass der zweite Druckbehälter nur mit Luft gefüllt ist. 

Bei der Aufteilung auf mehr als zwei Druckbehälter müssen diese aus Gründen gleicher Ausnutzung jedes einzelnen Druckbehälters auf der Luftseite miteinander verbunden sein. siehe Abb. 3 Druckbehälter


Druckbehälter: Schema einer Wasserversorgungsanlage als Druckerhöhungsstation Abb. 3 Druckbehälter: Schema einer Wasserversorgungsanlage als Druckerhöhungsstation


Ein Teil des Luftinhalts des Druckbehälters wird vom Druckwasser allmählich absorbiert, daher muss die Druckluft von Zeit zu Zeit ergänzt werden. Dies geschieht unter Hinzunahme eines Verdichters. Die Größe des Verdichters wird durch den Ansaug-Förderstrom (Qk) bestimmt. Bei seiner Berechnung wird von einer Füllzeit (T) für die vollständige Ergänzung des Luftvolumens im Druckbehälter ausgegangen. Es wird vorausgesetzt, dass nur ca. 2/3 des Behältervolumens (entsprechend dem Wasserstand beim Ausschaltdruck) mit Druckluft gefüllt werden müssen. Die Füllzeit sollte acht Stunden nicht überschreiten. Der Ansaugförderstrom in m3/h beträgt:


Druckbehälter_Formel_3


Der Betriebsdruck des Verdichters sollte mindestens dem max. Ausschaltdruck der Pumpe entsprechen. Dessen Sicherheitsventil muss so eingestellt sein, dass der höchstzulässige Betriebsdruck des Behälters nicht überschritten wird.
Nach der Unfallverhütungsvorschrift für Druckbehälter (Berufsgenossenschaft der Gas-, Fernwärme- und Wasserwirtschaft, Düsseldorf) ist ein Sicherheitsventil am Druckbehälter für Kreiselpumpen nicht erforderlich, wenn nach deren Drosselkurven (siehe Kennlinie) das 1,1-fache des für den Behälter höchstzulässigen Betriebsdruckes nicht überschritten werden kann und Überdrehzahlen verhindert werden.
Die Druckbehälter werden geschweißt, gegossen, genietet und z. T. auch gewickelt (für höchste Drücke und Temperaturen in der chemischen Industrie). Als Werkstoff sind Stahl- (Kessel-) und NE-Metallbleche sowie Stahlguss und Kunststoff geeignet. Häufig vorkommende Druckbehälter sind nach Konstruktion und Betriebsdaten genormt. 

Wesentliche Normen, Richtlinien und Vorschriften für Druckbehälter 

  • American Petroleum Institute: API 610 
  • American Society of Mechanical Engineers: ASME-Boiler and Pressure Vessel Code Section I-X 
  • Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter: AD-Merkblätter 
  • Bundesminister für Wirtschaft: Arbeitsschutz-verordnung (Bundesarbeitsblatt 4/1980) mit u. a. Dampfkessel- und Druckbehälterverordnung 
  • DIN 3171, DIN 4661, DIN 4810 und EN 962 
  • Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches: DVGW-Arbeitsblatt W 314 
  • Technische Regeln für Dampfkessel: TRD-Richt-linien 
  • Vereinigung der technischen Überwachungs-vereine e. V.: VdTÜV 
  • Vorschriften der schiffbautechnischen Spezifikationsgesellschaften, z. B. Germanischer Lloyd (GL)