Bypass-Filter entfernt auch Mikropartikel

Wasser ist das bevorzugte Wärmeträgermedium, insbesondere in Heizungsanlagen. Wesentliche Gründe sind die hohe Wärmekapazität, die Verfügbarkeit und die geringen Kosten. Bis zur Entnahme aus der Trinkwasserleitung im Haus hat es die vielfältigsten Filterstufen durchlaufen. Obwohl es von höchster Güte, sauber und klar ist, lässt es sich jedoch in diversen Anwendungsbereichen nicht ohne weitere Aufbereitungs- und Behandlungsmaßnahmen verwenden. Neben der Wasserhärte gehören Schmutz, Korrosion und Korrosionsprodukte zu den zentralen Problemen in allen Wasser führenden Kreisläufen. Wasser als Wärmeträger – das Heizungswasser – unterliegt somit speziellen Anforderungen.

Hartes Wasser führt zu Kesselstein

In einem „modernen“ Heizungswasserkreislauf findet sich ein bunter Mix verschiedenster Werkstoffe mit unterschiedlichen Erfordernissen. Auch bei der Wasserqualität gibt es regional große Unterschiede. Zu ca. 85 % findet sich in unseren Breiten hartes Wasser. Im Fall der Heizung bereitet daher im Wesentlichen die Kalkhärte (Calcium und Magnesium) Sorgen, weil sie zur Verkrustung (Kesselsteinbildung) an Wärme übertragenden Flächen führen kann und zum Bindemittel für Korrosionspartikel wird. Aber auch an Armaturen, wie Pumpen und Regelorganen, kann Kalk eine störende bis zerstörende Wirkung entfalten (Abb. 1).

Sauerstoffzutritt verstärkt die Korrosion

Im Heizungsbau werden noch vorwiegend metallische Werkstoffe eingesetzt, mit steigendem Anteil aber auch Kunststoffe. Im Betrieb sind alle Werkstoffe einer Zerstörung ausgesetzt, die in der Regel nur sehr langsam voran schreitet. Dieser Vorgang der „kalten“ (langsamen) Verbrennung nennt man auch Korrosion (andere Arten sind heizungstechnisch unerheblich).

In Mischinstallationen stehen verschiedene Metalle miteinander in Kontakt, zudem kommt es durch Verschraubungen, Muffen, Verpressungen oder auch Kunststoffrohre zu verstärktem Sauerstoffzutritt. Daraus entsteht ein korrosiv wirkendes Spannungsgefälle zwischen den Metallen (Spannungsreihe). Man spricht auch von einer galvanischen Korrosion. Wichtig ist: Heiz- und Kühlkreisläufe sind nur wasserdicht, nicht gasdicht.

Probleme und ihre Ursachen

Flugrost frei Haus

Wer eine neue Heizungsanlage installiert, stellt nach der Befüllung häufig fest, dass das Wasser bereits braun gefärbt ist. Betrachtet man die Situation genauer, fällt auf, dass Pufferspeicher, Heizkörper und andere Aggregate zwar äußerlich neu strahlen, teilweise jedoch durch Art und Dauer der Lagerung mit entsprechenden Temperaturschwankungen bereits erhebliche Mengen an Rost mitbringen. Durch vorheriges Spülen gemäß VOB-Richtlinien lässt sich die Rostmenge reduzieren, dennoch verbleibt meist ein Rest an den tiefsten Stellen im System und dort, wo beim Spülen die Strömungsgeschwindigkeit nicht ausreicht. Flugrost wirkt nicht nur störend auf mechanischen Teilen, er beeinträchtigt auch den Wirkungsgrad der Anlage: Lagern sich Rostpartikel beispielsweise auf Wärmeübertragerflächen mit einer Schichtdicke von nur 0,5 mm ab, spricht man in Fachkreisen von einem Wirkungsgradverlust in Höhe von bis 9 %.

Verblockung von Flächenheizungen

In neuen Ein- und Zweifamilienhäusern wird über 50 % der Wohnfläche mit Flächenheizungen beheizt, immer häufiger auch als Heiz- und Kühlkombination. Die Verteilung des Hauptstrangs auf mehrere Heizkreise und der geringe Wärmebedarf bei gleichzeitigem Trend zur engen Verlegung für eine möglichst niedrige Vorlauftemperatur führen zu einer sehr geringen Strömungsgeschwindigkeit in den einzelnen Kreisen. Dadurch können Rost- und Schmutzpartikel absinken. Der Belag, der sich daraus bildet, führt bei ungünstigen Systembedingungen, z. B. in Verbindung mit kalkhaltigem Wasser, häufig zu starken Querschnittsverengungen in den Rohren. Nicht selten resultiert daraus ein Rohrinfarkt – die Verblockung der Leitung.

Bei der Sanierung im Bestand kommen oft Spülkompressoren zum Einsatz, die in bereits verschlammten Systemen zu einer Verschlimmbesserung führen können: Durch den pulsierenden Druck wird ein Teil der Beläge stückig gelöst. Partikel mit einer Korn- bzw. Plättchengröße von mehr als 150 µm (0,15 mm) können sich unter dem kompressiven Druck an Anschlussübergängen festsetzen. Eine Verblockung kann auch entstehen, wenn sich noch größere Ablösungen querstellen und weitere Teilchen daran hängenbleiben.

Strömungsgeräusche

In Rohrleitungen können sich Schallemissionen über die Rohrwandungen ausbreiten. Verkrustungen bilden einen Strömungswiderstand und erhöhen die Schallfrequenzen. In der Hausinstallation werden Schallfrequenzen vorwiegend als Körper- und Wasserschall über die Rohrleitungen an das Bauwerk weitergeleitet. Der Trend zu immer kleineren Rohrquerschnitten bringt höhere lineare Fließgeschwindigkeiten bei entsprechenden Druckdifferenzen mit sich. Einzelne Bauteile können dann schwingen und eine Art Orgelpfeifeneffekt erzeugen.

Schmirgeleffekte

Neben Strömungsgeräuschen verursachen zirkulierende Partikel in einem geschlossenen Kreislauf weitere Probleme. Harte Partikel (Abb. 3) strömen mit entsprechender Geschwindigkeit abrasiv über Metalloberflächen und beschädigen die Schutzschichten durch Ritzungen bzw. Mikrozerspanen. Die Abrasion kann somit als Form der mechanischen Korrosion betrachtet werden. In einem Teufelskreis leisten die ungeschützten Oberflächen dann der Korrosion weiteren Vorschub. Bei Kavitationsschäden an Pumpen ist häufig eine Abrasion die eigentliche Ursache.

Minderung der Energieeffizienz

Der Wärmeübergangskoeffizient in W/(m²  K) beschreibt die Fähigkeit eines Fluids (Wärme-)Energie von der Oberfläche eines Stoffs abzuführen bzw. an seine Oberfläche abzugeben. Kalk- und Rostinkrustierungen weisen einen deutlich geringeren Wärmeübergangskoeffizienten auf als die Oberflächen üblicher Wärmeübertrager. Dadurch wird die Energieeffizienz eines Heizsystems auf vielfältige Art und Weise vermindert, sodass sich die Ablagerungen auch weit entfernt vom Ort der gestörten Wärmeübertragung negativ auswirken.

Fest-Flüssig-Trennung

Zum Abscheiden der Partikel aus dem Heizungswasser gibt es unterschiedliche Verfahren:

Sedimentation

Die Sedimentation beruht auf der Wasserberuhigung und dem Absinken der Partikel, das im Wesentlichen vom Dichteunterschied zwischen dem Fluid und den Teilchen abhängt. Beim Absinken bilden die Partikel den Bodensatz bzw. das Sediment. Bei diesem Verfahren, das auch als Schwerkraftfiltration oder -abscheidung bezeichnet wird, werden Teilchen entweder wie beschrieben durch die Schwerkraft in einer beruhigten Zone abgetrennt oder über Zentrifugalkräfte. Es eignet sich für die Abscheidung von Partikeln > 1 mm, entsprechende Armaturen werden in der Regel im Heizungsrücklauf angeordnet. Beim Einsatz von Dispersionsmitteln sind Schwerkraftfilter jedoch unwirksam, da die Partikel in Schwebe gebracht bzw. gehalten werden.

Magnetismus

Bei der Magnettrennung werden die magnetisierbaren Teilchen an einem Magnetfeld vorbeigeführt und zurückgehalten bzw. separiert. Das Verfahren findet als Magnetsortierer u. a. im Bergbau Anwendung, um magnetisierbares Material von nicht magnetisierbarem Material zu trennen. Seit einigen Jahren werden auch Heizungsfilter-Kombinationen aus Sedimentations- und Magnetabscheider angeboten. Ein integrierter und entnehmbarer Magnet muss regelmäßig gereinigt werden, um eine Verblockung im Filter zu verhindern. Nicht alle Eisenoxide sind jedoch magnetisch (z. B. Rost), es kann also nur ein begrenzter Teil magnetisch abgetrennt und zurückgehalten werden. Allerdings wirken die wenigsten Magnetabscheider gegenüber kleinsten Teilchen als Barriere. Die meisten können nur einen Teil dieser Partikel aus dem Volumenstrom abfangen und nur zirkulierende Teilchen aus dem System entfernen.

Filtration

Das gebräuchlichste Trennverfahren ist die Filtration. Das Wort Filter kommt ursprünglich aus dem Germanischen und bedeutet so viel wie Filz bzw. „durch Filz laufen lassen“. Bis zur Erfindung des Papiers war Filz die feinste Art der Filtration und stellt bis heute in vielen Anwendungen den Stand der Technik dar. Das rein physikalische Verfahren gehört zu den mechanischen Trennverfahren. Um Partikel jeder Größe vom Wasser zu trennen, ist die Filtration sehr flexibel und effektiv einsetzbar.

Man unterscheidet bei der Fest-Flüssig-Trennung in den Filtersystemen zwischen Klar- und Trennfiltration. Bei der Klarfiltration werden die Partikel vom Heizungswasser getrennt und somit das Wasser gereinigt. Bei der Trennfiltration werden die Gemische voneinander getrennt und separiert. Um in Heizkreisläufen sauberes und klares Wasser zu erreichen, wird hier das Augenmerk auf die Klarfiltration gelegt. Je nach Anforderung und Wasserbeschaffenheit sind die Ergebnisse des Filtrats (gefiltertes Wasser) steuerbar. Es funktioniert nahezu immer, insbesondere in Kombination mit Reinigungs- und Dispersionsmitteln.

Oberflächenfilter

Die abzufilternden Stoffe werden an der Filteroberfläche zurückgehalten und bilden dort einen sogenannten Filterkuchen. Als Filtermedien werden am häufigsten einlagiges Papier (Zellulosefasern), Textilgewebe oder Metall (Edelstahl) eingesetzt. Bei der Abscheidung wirken elektrostatische Effekte, Diffusionseffekte, Partikelträgheit und Sperreffekte mit. Sie bewirken, dass auch Partikel zurückgehalten werden, die kleiner als die Porenweite sind.

Während der Oberflächenfiltration verringern abgelagerte Partikel die Porenweite, wodurch die Filtrationsrate erhöht wird. Es baut sich ein Filterkuchen auf, der bei entsprechender Dicke den Strömungswiderstand deutlich ansteigen lässt. Für die Anordnung im Hauptstrom von Heizungskreisläufen sind solche Filter nicht geeignet, da sie beim Verschließen die Hydraulik blockieren. Je nach Filtersystem ist eine periodische Reinigung durch Rütteln oder Rückspülen bzw. Filterreinigung oder Filtertausch größtenteils mit Betriebsunterbrechung notwendig. Am Beispiel eines Schmutzfängers (Abb. 4) ist leicht nachvollziehbar, dass diese Art Filter nicht mehr zeitgemäß ist, insbesondere bei größerer Feststofffracht.

Tiefenfilter

Die Tiefenfiltration (Abb. 5) wird auch als Raumfiltration bezeichnet und lässt sich besonders gut anhand eines Beispiels in der Natur veranschaulichen, wenn das Oberflächenwasser durch den natürlichen Boden dringt und daraus Grundwasser wird. In der Tiefenfiltration durchströmt das Wasser das Filtermedium. Die Filterkuchenbildung ist hier unerwünscht, da das Filterelement dann keine weiteren Partikel aufnehmen kann und sofort getauscht werden muss. Neben verschiedenen Wirkmechanismen sind bei der Haftung von Partikeln in der Tiefenfiltration die Van-der-Waalsen Kräfte (zwischenmolekulare Bindungskräfte) und die Elektrostatik hervorzuheben. Dieses Prinzip macht sich auch der Bypass-Heizungsfilter zunutze (s. Infokasten „Bypass-Heizungsfilter Henry HF10 / HF20“).

Heute setzt man in der Regel Filterpatronen aus gebündelten, gewickelten oder verschmolzenen Glasfasern oder synthetischen Fasern ein. Die kompakte Bauform bietet einige Vorteile, insbesondere im Handling, der Lagerung und der großen Filteroberfläche auf kleinem Raumvolumen. Für unterschiedliche Verschmutzungsgrade und Partikelgrößen stehen passende Filter zur Verfügung. Je nach Bauart des Filterelements können Synergien aus statischer Filtration (Druckfiltration) und dynamischer Filtration (Membranfiltration) genutzt werden.

Wichtig: Filter ersetzen nicht die Wasseraufbereitung!

Ein Heizungsfilter beseitigt die Symptome, aber nicht die Ursachen von Korrosion und Schlammbildung. Er ersetzt nicht die Wasseraufbereitung gegen Kalkstein und die Wasserbehandlung gegen Korrosion gemäß dem Stand der Technik. Deshalb ist Heizungswasser zusätzlich zur Aufbereitung (Enthärtung) stets mit einem guten Inhibitor zu konditionieren, um die Anlage vor Korrosion und Verschlammung zu schützen. Dispersions-¹ und Reinigungsmittel sowie Korrosionsschutzmittel mit dispergierenden Eigenschaften steigern das Ergebnis der Tiefenfiltration erheblich. Bei Bestandsanlagen wird der Heizungsfilter nach vorheriger Heizungswassersanierung als „Feinschliff“ für ein perfektes Ergebnis eingesetzt – sauber und klar.

Neueste Filtersysteme bieten wählbare Filterfeinheiten von grob bis mikrofein. Das Filtersystem Henry HF10 / HF20 (Abb. 6) wird dabei nicht fest installiert, sondern nur für den Bedarf (etwa eine bis sechs Wochen) an einer im Rücklauf eingebauten Bypass-Armatur angeschlossen. Über den hydrodynamischen Bypass lässt sich der Volumenstrom stufenlos zugunsten des Filtersystems umlenken, sodass keine hydraulischen Probleme entstehen. Durch den Einsatz im hydrodynamischen Bypass kann der Filter ohne Betriebsunterbrechung gewechselt werden.

Je nach Filterpatrone durchströmt das Heizungswasser eine ca. 2,5 cm dicke Filterschicht (Tiefenfiltration). Das Filtrat (das gefilterte Heizungswasser) ist im Ergebnis „sauber und klar“. Am Ende verbleibt nur die Bypass-Armatur zur Revision in der Anlage und nicht ein wartungsbedürftiges Filtersystem. Hannemann empfiehlt, in Neu- und Bestandsanlagen Anschlussstutzen (bei größeren Anlagen) bzw. die Bypass-Armatur vorzusehen, um jederzeit das Filtersystem einfach anschließen zu können. In Neuanlagen dient der Heizungsfilter zur Nachfiltration, um nach dem Spülen Reste von Flugrost und / oder Installationsrückstände zu entfernen.

Gängige Schlammabscheider können mit einer Wirkungsgrenze von > 100 µm nur etwa 20 % der im unbehandelten Heizungswasser befindlichen mobilen Verunreinigungen entfernen, die im Kreislauf verbleibenden 80 Massenprozent sind nichtmagnetische und sehr feine Rost- und Schmutzpartikel, die weiterhin durch Ablagerungen und Anhaftungen zu Funktionsstörungen führen können. Mit dem Filtersystem Henry HF10 / HF20 werden Partikel in den nacheinander eingesetzten Filterstufen 1 (grobe Partikel), 2 (Partikel > 5 µm) und 3 (feinste Mikropartikel sowie Farbe und Geruch) entfernt. Mit einer anschließenden Behandlung des Heizungswassers bleibt das Heizungswasser dann klar und sauber.

Das Beispiel eines Kältenetzes der TU-Dortmund zeigt, dass unsachgemäß verwendete Schmutzfänger neue Probleme schaffen können: In der komplexen 500-kW-Anlage (Baujahr 2015, Anlagenvolumen von 6000 l) wurde viele Stunden nach dem Grund für eine Störungsmeldung in der Hydraulik gesucht. Schließlich fanden sich die komplett mit Korrosionsschlamm verstopften Schmutzfänger als Ursache (Abb. 8). Beim Anblick der Symptome war allen Beteiligten der Handlungsbedarf für eine Heizungswassersanierung klar. Nach der Entleerung des Systems wurde mit kalkfreiem Wasser neu befüllt und mit einem Korrosionsschutzmittel konditioniert. Im Hauptrücklauf filterte der Bypass-Heizungsfilter Henry HF20 die restlichen Feinstpartikel aus dem Kreislaufwasser heraus. Etwa acht Wochen später bestätigte die Kontrollanalyse die geforderte Wasserqualität. Hier war professionelle Unterstützung gefragt. Die Heizungswassersanierung wurde vom SHK-Fachunternehmen Vollmer aus Arnsberg-Neheim ( www.vollmer-arnsberg.de ) durchgeführt.

gründete 1997 die Hannemann Wassertechnik Deutschland GmbH. Er gilt als Marktbereiter und Gestalter für das Geschäftsfeld Heizungswasser. Seine Produktentwicklungen wurden mit diversen Innovationspreisen ausgezeichnet, unter anderem mit dem Deutschen Bundespreis in Gold für hervorragende innovative Leistungen für das Handwerk. Seit 2000 erstellt das Unternehmen korrosionschemische Analysen nach DIN ISO mit entsprechenden Lösungskonzepten.

www.hannemann-wassertechnik.de