Bei Gasgeräten mit ständig brennender Zündflamme hat man durch die thermoelektrische Zündsicherung alles im Griff. Wie diese arbeitet, wurde unter anderem im ersten Teil dieses Beitrages beschrieben. Wird es aber modern und das „ewige Licht“ ist nicht nötig, muss eine andere Absicherung her. Hier wird eine Ionisationsflammenüberwachung eingesetzt. Um diese und um weitere, für die Sicherheit nötige Bauteile, geht es im Folgenden.
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Immer wieder sonntags?
Ionisationselektrode, Sicherheitstemperaturbegrenzer (STB), Gasregelblock mit Wassermangelsicherung, Mindestdruckwächter (Pressostat), NTC’s, Sicherheitsventil und Membranausdehnungsgefäß sind Bestandteile der Sicherheitskette. Fällt ein Bauteil aus, kommt es zu einer Störabschaltung des Gerätes. Meistens passiert das am Wochenende oder an Feiertagen – warum ausgerechnet immer dann, weiß niemand. Gut beraten ist dann natürlich, wer sich mit den einzelnen Bauteilen auskennt und der Ursache des Ausfalls schnell auf die Spur kommt. Ärger machen kann zum Beispiel die Ionisationsflammenüberwachung. Die Ionisationszündüberwachungs-Elektrode ist ein Bauteil, welches in die Flamme des Hauptbrenners hineinragt. Zusätzlich zu der Ionisationselektrode wird für die Flammenkontrolle noch der Gasfeuerungsautomat benötigt. Er ist wiederum kein eigenes Bauteil sondern – bei modernen Geräten mit Einplatinentechnik – Bestandteil der Hauptplatine. Gase leiten den elektrischen Strom normalerweise nicht. Die Gasflamme hingegen ist jedoch in der Lage, elektrischen Strom zu leiten und gleichzurichten. Dieses Prinzip wird Ionisation genannt. Stellt man sich die Gasflamme als Lichtschalter vor, ist das physikalische Prinzip denkbar einfach: Der Gasfeuerungsautomat legt bei Wärmeanforderung eine Wechselspannung zwischen der Ionisationselektrode und dem Brenner an. Diese Wechselspannung ist messbar. Sie beträgt je nach Gasgerät zwischen 20 -75 V~. Die Gefahr einen „gewischt“ zu bekommen besteht angesichts des äußerst geringen Stromflusses also nicht. Sobald eine Flamme entsteht, fließt Strom über die Gasflamme zur Ionisationselektrode. Der Stromkreis ist also – wie z. B. bei einem Lichtschalter – geschlossen.
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Nur abziehen bringt nichts
Die angelegte Wechselstromspannung wird gleichgerichtet und vom Gas-Feuerungsautomat (GFA) als „Flamme brennt“ bewertet. Mit einem in Reihe geschalteten Multimeter kann der Ionisationsstrom gemessen und bewertet werden. Dabei sollte der gemessene Wert zwischen 1,5 – 5 µA liegen. Abweichende Werte darf man nicht tolerieren. Die Ionisationselektrode muss bei aus der Toleranz laufenden Werten gereinigt oder sogar ausgewechselt werden. Die Sicherheitsfunktionskontrolle der Ionisationsüberwachung wird bei im Betrieb befindlichem Gasgerät durchgeführt. Mit einem elektrisch leitenden Gegenstand wird zwischen Ionisationselektrode und Brenner eine Verbindung hergestellt. Der Strom fließt nun aufgrund der besseren Leitfähigkeit der Metalle nicht mehr über die Flamme. Er wird somit nicht mehr ionisiert, der Gleichrichter- Effekt tritt nicht mehr auf. Es fließt eine Wechselspannung. Für den GFA bedeutet eine Wechselspannung immer, dass etwas nicht stimmt. Der GFA steuert daraufhin den Zündtrafo an. Nach maximal zehn Sekunden muss die Elektronik das Gasgerät verriegelt abschalten. Eine Wiederzündung wird nur über die Entriegelungstaste erreicht. Um die Funktion dieser Flammenüberwachung auszuprobieren, muss eine „Kurzschlusskontrolle“ durchgeführt werden. Dazu berührt man mit der Ionisationselektrode den Brenner. Der dadurch fließende Wechselstrom muss dann zum Abschalten der Feuerung führen. Wer hier lediglich das Kabel der Ionisationselektrode abzieht, nimmt die eigentliche Sicherheitsabschaltung (die ja aufgrund von „falschen“ Ionisationssignal selbstständig erfolgen soll) vorweg. Man hat eine Sicherheitseinrichtung überlistet – aber nicht wirklich auf einwandfreie Funktion geprüft. Die Isolierung der Ionisationsstromleitung muss unbedingt fehlerfrei sein, da es ansonsten ständig zu Störungen durch Masseschluss kommen kann. Wird die Sicherheitszeit überschritten (Flammen brennen weiter) ist die GFA-Platine zu tauschen.
Der Wasserstandsmelder
Befindet sich im Wärmetauscher zu wenig Wasser, kommt es zur Dampfbildung, wenn die Befeuerung beginnt. Der dabei entstehende Dampfdruck lässt jeden Wärmetauscher zerplatzen. Folglich muss verhindert werden, dass eine Feuerung in Betrieb geht, wenn es an Wasser mangelt. Bei den Wassermangelsicherungen gibt es mechanische und elektronische Systeme. Bei einem Gasgerät ohne Netzspannungsanschluss muss der Wassermangel mechanisch erkannt werden. Mechanische Kontrollen benötigen einen Mindest-Kaltwasserfließdruck von 1 bar. Sinkt der Druck unter diesen Wert, erzeugt die Venturidüse im Wasserschalter keinen ausreichenden Differenzdruck zwischen oberer und unterer Membrankammer im Wasserschalter. Der Steuerschieber betätigt somit nicht mehr die Wassermangelsicherung im Gasregelblock. Gas wird folglich nicht freigegeben. Dieses kann man durch eine Sichtöffnung an der Nahtstelle von Wasserschalter und Gasregelblock optisch überprüfen. Gasgeräte mit einem 230-Volt-Anschluss überwachen den Wasserstand elektronisch. Die Aufgabe der Wassermangelsicherung für den Warmwasser-Betrieb übernehmen in modernen Geräten der Hallsensor oder die Turbine sowie mehrere im Gerät eingebaute NTC`s. Diese Bauteile bilden eine Sicherheitskette, die aufeinander abgestimmt ist: Wird eine Mindestwasserentnahmemenge unterschritten (oder ist die Temperaturerhöhung zu groß), erkennt dies die Elektronik und verringert die Gaszufuhr zum Hauptbrenner. Ändert sich an dem Zustand nichts, verriegelt die Elektronik das Gerät.
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Letzte Rettung wenn’s heiß wird
Vereinzelt werden auch Wasserdruckschalter (Pressostaten) eingesetzt, die vom Funktionsprinzip her einfachen Schaltern mit An-Aus-Funktion entsprechen. Sinkt der Heizungsanlagendruck unter 0,3 bar im Gerät ab, wird über eine Membran der zuvor geschlossene Steuerstromkreis unterbrochen. Wird die Heizungsanlage wieder befüllt, schließt sich ab 0,5 bar Wasserdruck der Kontakt wieder. Dieses Überwachungssystem arbeitet auch in Verbindung mit NTC’s. Kommt es einmal zu einer Betriebsstörung, kann über Servicecodes die mögliche Störungsursache auf dem Display angezeigt werden. Wenn alle vorgenannten Sicherheitssysteme eine Überhitzung des Gerätes nicht mehr verhindern können, oder der Regelthermostat nicht schaltet, muss der Sicherheitstemperaturbegrenzer (STB) die Reißleine ziehen und Schlimmeres verhindern. Zur Sicherheitstemperaturbegrenzung werden die NTCs am Vorlauf und Rücklauf ausgewertet. Wenn bei angesteuertem Gasventil die Vorlauf- oder die Rücklauftemperatur z. B. 97 °C übersteigt, wird die Störabschaltung ausgelöst. Die Heizungspumpe bleibt solange in Betrieb, bis die Vorlauftemperatur 80 °C unterschritten hat. In älteren Geräten wird meist ein Thermoschalter ausgelöst, der nur mit Werkzeug zu entriegeln ist. Zur Funktionskontrolle muss der STB unter Betriebsbedingungen ausgelöst werden. Nach Temperaturabsenkung darf es nicht zum selbstständigen Betrieb der Anlage kommen. Bei einer Störabschaltung erscheint im Display moderner Gasfeuerstätten die dementsprechende Code-Zahl. Die Entstörung muss per Hand durchgeführt werden.
Teamwork von SV und MAG
Gefährlichen Überdruck im Heizsystem soll das Sicherheitsventil (SV) verhindern. Meisten im Rücklauf der Heizgeräte angeordnet, fristet es ein ruhiges und beschauliches Leben. Für Warmwasserheizungsanlagen werden meist federbelastete Membran-SV verwendet. Diese sind werkseitig auf einen Ansprechdruck von 2,5 oder 3 bar fest eingestellt. Nach DIN EN 12828 [1] muss jeder Wärmeerzeuger durch mindestens ein Sicherheitsventil abgesichert sein. Bei einer Nennwärmeleistung bis 50 kW beträgt die Mindestnennweite des SV DN 15. Die Ausblaseöffnung muss so angeordnet sein, dass niemand Gefahr läuft, mal einen Schwall heißes Wasser abzubekommen. Da, wo Feuchtigkeit Schaden anrichten kann, muss die Ausblaseöffnung über einen Trichter münden. Einmal im Jahr muss das SV angelüftet (also von Hand geöffnet) werden, damit es im Falle des Falles nicht festsitzt. Aber auch das Gegenteil vom Festsitzen, nämlich ein ständiges Tropfen, muss verhindert werden. Dazu dient das Membranausdehnungsgefäß, kurz MAG genannt. Heizt die Anlage auf, nimmt es das Ausdehnungsvolumen des Wassers auf. Sinkt die Systemtemperatur wieder, führt es das Ausdehnungswasser wieder ins System zurück. Der Wasserdruck in der Anlage bleibt somit konstant. Ist das MAG defekt, hat es diese ausgleichende Funktion nicht mehr. Beim Aufheizen der Anlage steigt der Druck und das SV beginnt zu tropfen. Bei Abkühlung des Systems sinkt der Druck, den es fehlt jetzt das Wasser, welches über das SV abgetropft ist. Wird der Mindestanlagendruck unterschritten, schaltet die Wassermangelsicherung die Anlage ab.
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Mit Gummimembrane und Stickstoff
Im Inneren des MAG befindet sich eine Membrane, die den Wasserraum vom Gasraum trennt. Werkseitig befindet sich im Gasraum ein Inertgas, meistens Stickstoff, mit einem Vordruck von 0,5 bis 1,0 bar. Um den Vordruck zu überprüfen, wird das Heizgerät wasserseitig drucklos gemacht. Das ist wichtig, weil man sonst den Anlagensystemdruck – und nicht den Vordruck - messen würde. Durch Diffusion des Stickstoffes verringert sich nach einer Zeit der Vordruck. Dieser ist dann mit Stickstoff zu ergänzen. Dabei darf kein höherer Vordruck, als auf dem MAG angegebenen, aufgebracht werden. Wer hier nach dem „Viel-Hilft-Viel-Prinzip“ arbeitet, macht das MAG funktionslos. Denn ein zu hoher Vordruck verhindert, dass Heizungswasser ins MAG eindringen kann. Ein zu geringer Vordruck hat den gleichen Effekt. Dann steht das gesamte Ausdehnungsgefäß von vorn herein voll Wasser, ein Reservevolumen zur Aufnahme des Ausdehnungswassers gibt es nicht. Aus diesem Grund wird mit der DIN 4807-2 [2] eine jährliche Kontrolle des MAG verlangt.
Eine regelmäßige Wartung ist eine wichtige Voraussetzung dafür, dass alle Bauteile der Sicherheitskette eines Gasgerätes einwandfrei funktionieren. Es ist wie beim Auto: Auf die Bremsen verlassen kann sich derjenige, dessen Fahrzeug regelmäßig vom Fachmann gewartet wird. Und das gilt genauso für die Gasgeräte – auch wenn hier die „Bremsen“ etwas anders aussehen.
