Einsatzgrenzen kupfergelöteter Platten-Wärme­übertrager

Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Bei kupfergelöteten Platten-Wärmeübertragern sind korrosionsspezifische Einsatzgrenzen aufgrund der primär- und sekundärseiteigen Wasserparameter zu beachten.
■ Die Marktbeobachtung zeigt, dass man Herstellerangaben zu Einsatzgrenzen kupfergelöteter Platten-Wärmeübertrager zusätzlich mit den einschlägigen Richtlinien abgleichen sollte. Bei möglicherweise kritischen Abweichungen zum Regelwerk ist eine gesonderte Freigabebestätigung durch den Hersteller zu empfehlen.

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Kupfergelötete Platten-Wärmeübertrager sind preisgünstig und werden daher auch sehr häufig verbaut. Allerdings können sie bei bestimmten Wasserqualitäten auch „sensibel“ reagieren. Einsatzgrenzen kupfergelöteter Platten-Wärmeübertrager ergeben sich vor dem Hintergrund von Vorgaben in den Richtlinien VDI 2035 und AGFW FW 510. Allerdings gibt es im Markt unterschiedliche und auch widersprüchliche Angaben.

Platten-Wärmeübertrager, landläufig auch unter dem Begriff Platten-Wärmetauscher (PWT) bekannt, übertragen auf engstem Raum effizient Wärme zwischen zwei Fluiden. Sie bestehen aus einem Stapel dünner korrosionsbeständiger Metallplatten, meist aus Edelstahl (für klassische TGA/SHK-Anwendungen in der Regel 1.4404), die so angeordnet sind, dass zwischen ihnen enge Kanäle entstehen. Jeder zweite Kanal führt eines der Medien, zwischen denen die Wärme übertragen wird. Spezielle Prägemuster der Platten sorgen zusätzlich für „Effizienz durch Turbulenz“ und vermindern gleichzeitig die Gefahr einer Belagsbildung bzw. Verblockung.

Neben geschraubten und verschweißten Versionen finden sich im Bereich Klimatisierung, Lüftung, Heizung (Wärmepumpe) und Trinkwassererwärmung (Frischwasserstation) vorzugsweise mit Lot verbundene Plattenstapel. Gelötet wird hier – je nach Einsatzbereich oder Budget – mit einem Kupfer-, Nickel- oder Edelstahllot. Am preisgünstigsten und daher auch am häufigsten anzutreffen, ist der kupfergelötete PWT, der allerdings in Bezug auf die Wasserqualität auch am „sensibelsten“ reagiert und deshalb am stärksten „eingeschränkt“ ist. Mit Nickel oder Edelstahl gelötete Versionen zeigen sich hier wesentlich toleranter.

Hier sollen die Einsatzgrenzen der kupfergelöteten PWT näher betrachtet werden, insbesondere im Hinblick auf die Vorgaben der Richtlinien VDI 2035-1 [1] und AGFW FW 510 [2]. Tatsächlich machen die Hersteller hier nicht nur unterschiedliche Aussagen – manche Angaben sind auch widersprüchlich.

In Bild 2 wurden die Einsatzgrenzen für kupfergelötete Standard-Platten-Wärmeübertrager von sechs Anbietern anhand ausgewählter Parameter einander gegenübergestellt. Betrachtet werden insbesondere die Größen, welche in den Richtlinien VDI 2035 und AGFW FW 510 in geschlossenen Heizkreisläufen als relevant zur Vermeidung von Schäden durch Belagsbildung und Korrosion gelten. Bemerkenswert ist auch, dass die Hersteller in ihren jeweiligen Anforderungen anscheinend nicht zwischen Trinkwasser und Heizungswasser unterscheiden.

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pH-Wert

Drei Anbieter schränken hier auf einen pH-Wert-Bereich zwischen 7 und 9 ein, während ein Anbieter sogar bis zu einem pH-Wert von 10,5 freigibt. Folgt man den Vorgaben in AGFW FW 510, so können nur die Anbieter 1, 3 und 6 die Forderung nach einem pH-Wert zwischen 9,0 und 10,5 abdecken. Das heißt: Bei einer Fernwärme-Übergabestation muss entweder ein für diesen pH-Bereich freigegebener kupfergelöteter PWT vorgesehen sein oder es muss eine andere Lotvariante gewählt werden. Ähnliches gilt für PWT in Frischwasserstationen. Auch hier ist primärseitig mit einem pH-Wert von bis zu 10,0 im Heizungswasser zu rechnen.

Elektrische Leitfähigkeit

Beim Parameter elektrische Leitfähigkeit sind sich alle Anbieter überraschenderweise einig und begrenzen die elektrische Leitfähigkeit des primär- und sekundärseitigen Wassers auf 10 bis 500 µS/cm. Der untere Wert bezieht sich auf das Heizungswasser, da Trinkwasser solche Werte nie aufweist. Trotzdem erstaunt diese niedrige Leitfähigkeitsangabe, da in Heizungskreisläufen erfahrungsgemäß kaum unter 30 µS/cm gemessen werden. Bei 10 µS/cm kann es bereits zu sogenannten „Leach-out-Effekten“ kommen, was die Hersteller indirekt auch untersagen [3].

Ein derart mineralarmes Wasser würde bei vielen Nichteisenmetallen (Kupfer) bereits Deckschichten ablösen oder deren Bildung verhindern. Kupferlot beispielsweise wird dann entlang seiner Korngrenzen angegriffen, löst sich von den Edelstahlplatten und begünstigt dort Spaltkorrosionserscheinungen. Dies hat zur Folge, dass der Wärmeübertrager undicht wird. In der Praxis dürfte einer salzarmen Betriebsweise des Anlagenwassers mit Leitfähigkeiten zwischen 30 und 100 µS/cm trotzdem nichts im Wege stehen.

Am anderen (oberen) Ende stehen die 500 µS/cm nur für die durchschnittliche elektrische Leitfähigkeit des Trinkwassers in Deutschland. Das heißt, ein maßgeblicher Teil der Wässer liegt darüber und eine Enthärtung bringt diesbezüglich auch keine Verbesserung.

Zugelassene Härten

Was die erlaubte Resthärte in den Wässern betrifft, wird es an dieser Stelle nun regelrecht kurios. Ein Anbieter schränkt die Härte auf 4,0 bis 8,5 ein, was dem Trinkwasser-Härtebereich „weich“ entspricht. Für Frischwassersysteme heißt das dann, dass in den meisten Fällen eine Enthärtungsanlage installiert werden müsste, da die durchschnittliche Trinkwasserhärte in Deutschland bei 16 °dH liegt. Andere Anbieter geben bis 15 °dH frei, was realistischer ist, zumal viele Hausbesitzer aus Komfortgründen bei dieser Härte bereits Maßnahmen ergreifen.

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Auf der Heizungswasserseite passt die Forderung nach einer Mindesthärte von 4 bis 6 °dH oft überhaupt nicht. Das Arbeitsblatt AGFW FW 510 fordert generell weniger als 0,1 °dH, VDI 2035 in zunehmenden Fällen 0,3 °dH bzw. bei salzarmer Betriebsweise < 1 °dH. Ursache dafür ist der Trend zu höheren Anlagenvolumina (Flächenheizung, Pufferspeicher) und kleiner Wärmeerzeugerleistung wie bei Wärmepumpen-Anlagen. Ab einem spezifischen Anlagevolumen > 40 l/kW sind die Härtebildner hier weitestgehend zu entfernen. Hinzu kommt noch die Empfehlung aus der VDI 2035, für Komponenten aus Aluminiumlegierungen eine salzarme Betriebsweise zu bevorzugen.

Unverständlich bleibt, dass einerseits niedrige Leitfähigkeiten bis 10 µS/cm erlaubt sind, was AGFW FW 510 entgegenkommt, aber gleichzeitig 4 bis 6 °dH Mindesthärte gewünscht werden. Härte und elektrische Leitfähigkeit sind bei Trinkwasser in erster Näherung über den Faktor 30 gekoppelt. Das heißt, ein Anlagenwasser mit einer Härte von 6 °dH besitzt eine Leitfähigkeit von mindestens 180 µS/cm. Eine salzarme Betriebsweise – wie für Komponenten aus Aluminiumlegierungen gewünscht – wäre somit nicht ohne weiteres möglich.

Nickel- oder edelstahlgelötete Versionen sind, was die obere Härtegrenze betrifft, ebenso eingeschränkt. Dies leitet sich verständlicherweise aus den möglichen Energieübertragungs- und Hydraulikverlusten infolge Kalksteinbildung ab. Im Bereich geringer Härten wird mit der unzureichenden Bildung von Schutzschichten, insbesondere bei Kupferlot argumentiert.

Gelöstes Eisen

Durch Korrosionsprozesse und unterstützt durch pH-Werte < 7,5 kann die Konzentration an gelöstem Eisen im Anlagenwasser ansteigen. Bei kupfergelöteten PWT sind sich alle Anbieter einig, dass hier die Konzentration < 0,2 mg/l liegen muss. Ab dieser Konzentration ist gelöstes, nach Sauerstoffzutritt dreiwertiges Eisen, bereits als leichte Gelbfärbung wahrnehmbar. Eisen(III)verbindungen wirken als Oxidationsmittel und begünstigen die Auflösung von Kupfer. Trinkwasserseitig kann dies bei Eigenwasser oder vorgeschalteten, ursprünglich verzinkten Rohrstrecken ebenfalls auftreten. Bei anderem Lotmaterial besteht keine Begrenzung.

Sauerstoffgehalt

Bezüglich der erlaubten Sauerstoffkonzentration machen nur zwei Anbieter eine Aussage, unterscheiden aber nicht explizit zwischen Heizungs- und Trinkwasserseite. Ein Anbieter fordert hier 0,02 mg/l O₂, ein anderer nennt < 0,1 mg/l O₂ bzw. so niedrig, wie möglich. Das heißt, es werden primärseitig korrosionstechnisch geschlossene Anlagen nach VDI 2035 vorausgesetzt. Da dies aufgrund der verwendeten Werkstoffe nicht erforderlich sein sollte und die anderen Anbieter hierzu keine Aussage machen, ist anzunehmen, dass die Angaben unreflektiert aus der VDI 2035 bzw. AGFW FW 510 übertragen wurden.

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Fazit

Die teilweise widersprüchlichen Einsatzgrenzen, welche die Hersteller von Platten-Wärmeübertragern vorgeben, dürften sowohl bei Fachhandwerkern als auch Planern für Verunsicherung sorgen, sind diese doch oft mit den gängigen Richtlinien VDI 2035 und AGFW FW 510 nicht so recht vereinbar. Wünschenswert wäre eine klare Unterscheidung zwischen Trink- und Heizungswasserseite, was die vorgegebenen Einsatzgrenzen der Platten-Wärmeübertrager betrifft.

Zwar sollte korrosionschemisch einer Kombination von salzarmem Heizungswasser nach VDI 2035 und kupfergelöteten Versionen nichts im Wege stehen: Bei der geplanten Übertragung von Fernwärme ist die Anfrage nach einer Sonderfreigabe für kupfergelötete Platten-Wärmeübertrager dennoch eine empfehlenswerte Option.

Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGA+E-Dossier Trinkwasserhygiene

Dr. Dietmar Ende

ist Leiter Forschung und Entwicklung bei der perma-trade Wassertechnik, 71229 Leonberg, und Sachverständiger für Korrosion BDSH (Bundesverband Deutscher Sachverständiger des Handwerks), www.perma-trade.de

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