GASVERDICHTUNG - GRUNDLEGENDE THEORIE

EINFÜHRUNG

Wir alle haben regelmäßig mit komprimiertem Gas zu tun, aber nur wenige von uns kennen die notwendigen Grundlagen, um die Anforderungen eines Kunden ohne die Hilfe unserer Anwendungsspezialisten zu bestimmen.

Auch wenn unsere Ausführungen zu kurz sind, um mehr als einige grundlegende Prinzipien zu vermitteln, so hoffen wir doch, dass sie uns zusammen mit der vorliegenden Dokumentation einen weiteren Schritt auf dem Weg zur Selbstständigkeit in diesen Situationen voranbringen.

GRUNDKONZEPTE

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik

Dieses Gesetz besagt, dass Energie während eines Prozesses (z. B. Verdichtung oder Übertragung eines Gases) weder erzeugt noch zerstört werden kann, obwohl sie sich von einer Energieform in eine andere verwandeln kann. Mit anderen Worten: Immer wenn eine bestimmte Energiemenge verschwindet, muss eine genau gleich große Menge anderer Energiearten erzeugt werden.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Dieses Gesetz ist eher abstrakt und kann auf verschiedene Weise formuliert werden.

Wärme kann nicht von sich aus von einem kälteren zu einem heißeren Körper übergehen.

Wärme kann nur dann von einem Körper mit niedrigerer Temperatur auf einen Körper mit höherer Temperatur übertragen werden, wenn externe Arbeit verrichtet wird.

Die verfügbare Energie des isolierten Systems nimmt bei allen realen Prozessen ab.

Wärme oder Energie (wie Wasser) fließt von selbst nur bergab.

Im Grunde besagen diese Aussagen, dass Energie auf verschiedenen Ebenen existiert und nur dann für die Nutzung zur Verfügung steht , wenn sie von einer höheren auf eine niedrigere Ebene übergehen kann. In der Thermodynamik wurde ein Maß für die Nichtverfügbarkeit von Energie entwickelt, das als Entropiebekannt ist.

Die Entropie (als Maß für die Nichtverfügbarkeit) nimmt zu, wenn ein System Wärme verliert, bleibt aber konstant, wenn es weder zu einem Wärmegewinn noch zu einem Wärmeverlust kommt (wie bei einem adiabatischen Prozess).

Ideale oder perfekte Gasgesetze

Ein ideales oder perfektes Gas ist ein Gas, für das die Gesetze von Boyle, Charles und Amonton gelten. Obwohl es ein solches Gas nicht gibt, werden diese Gesetze der Einfachheit und Konsistenz halber verwendet und durch Kompressibilitätsfaktoren korrigiert, die auf experimentellen Daten beruhen.

Boyle'sches Gesetz

Bei konstanter Temperatur variiert das Volumen eines idealen Gases umgekehrt mit dem absoluten Druck.

Karlsches Gesetz

Bei konstantem Druck ändert sich das Volumen eines idealen Gases direkt mit der Änderung der absoluten Temperatur.

Amontonsches Gesetz

Bei konstantem Volumen ändert sich der absolute Druck eines idealen Gases direkt mit der Änderung der absoluten Temperatur.

Daltonsches Gesetz

Dieses Gesetz besagt, dass der Gesamtdruck eines Gemisches idealer Gase gleich der Summe der Partialdrücke der einzelnen Gaskomponenten ist.

Der Partialdruck ist definiert als der Druck, den jedes Gas ausüben würde, wenn es allein das Volumen des Gemischs bei der Gemischtemperatur einnehmen würde.

Das Daltonsche Gesetz hat sich experimentell als etwas ungenau erwiesen, da der Gesamtdruck oft höher ist als die Summe der Partialdrücke, vor allem wenn die Drücke steigen. Für technische Zwecke ist dies jedoch die beste verfügbare Regel, und der Fehler ist relativ gering.

Amagat's Gesetz

Dieses Gesetz ähnelt dem Dalton'schen Gesetz, besagt aber, dass das Volumen eines Gemischs idealer Gase gleich der Summe der Teilvolumina ist, die die einzelnen Gaskomponenten einnehmen würden, wenn sie bei dem Gesamtdruck und der Temperatur des Gemischs allein existieren würden.

Avogadrosches Gesetz

Avogadro stellte fest, dass gleiche Volumina aller Gase unter den gleichen Druck- und Temperaturbedingungen die gleiche Anzahl von Molekülen enthalten.

Dieses Gesetz ist sehr wichtig und wird bei der Bestimmung der Kompressor- oder Boostergröße angewandt. Wenn beispielsweise der Druck eines Gasgemischs erhöht werden soll, kann bei der Berechnung davon ausgegangen werden, dass das Molekülvolumen der einzelnen Gasbestandteile proportional gleich ist. Mit anderen Worten: In einem 65-25-10-Gasgemisch variieren die Molekülvolumina nicht und können daher gleichmäßig komprimiert werden.

Gase und Dämpfe

Per Definition ist ein Gas die flüssige Form eines Stoffes, in der er sich unbegrenzt ausdehnen und seinen Behälter vollständig ausfüllen kann. Ein Dampf ist eine vergaste Flüssigkeit oder ein fester Stoff, mit anderen Worten ein gasförmiger Stoff.

Alle Gase können unter geeigneten Druck- und Temperaturbedingungen verflüssigt werden und können daher auch als Dämpfe betrachtet werden. Der Begriff "Gas" wird im Allgemeinen verwendet, wenn die Bedingungen so sind, dass eine Rückkehr zum flüssigen Zustand (Kondensation) im Rahmen der betrachteten Vorgänge schwierig wäre. Ein Gas unter solchen Bedingungen ist jedoch eigentlich ein überhitzter Dampf.

Änderungen des Zustands

Jeder reine Stoff kann in drei Zuständen vorliegen: als Feststoff, als Flüssigkeit oder als Dampf. Unter bestimmten Bedingungen kann es als eine Kombination von zwei beliebigen Phasen vorliegen, und Änderungen der Bedingungen können die Anteile der beiden Phasen verändern. Es gibt auch eine Situation, in der alle drei Phasen gleichzeitig auftreten können. Dies ist der sogenannte Tripelpunkt. Wasser hat einen Tripelpunkt bei etwa 32 Grad F und 14,696 psia (auf Meereshöhe). Kohlendioxid kann bei etwa minus 69,6 Grad F und 75 psia gleichzeitig als Dampf, Flüssigkeit und Feststoff vorliegen.

Stoffe können unter geeigneten Bedingungen direkt von einer festen in eine dampfförmige Phase übergehen. Dies wird als Sublimation bezeichnet.

Bei vielen Prozessen, die eine Kompression erfordern, kommt es zu Zustandsänderungen. Zwei Beispiele sind die Kältetechnik und die Herstellung von Trockeneis.

Kritische Bedingungen

Es gibt eine Temperatur, oberhalb derer sich ein Gas nicht aufgrund eines noch so großen Druckanstiegs verflüssigen kann. Dieser Punkt wird als die kritische Temperatur bezeichnet. Sie wird experimentell bestimmt.

Der Druck, der erforderlich ist, um ein Gas bei dieser kritischen Temperatur zu verdichten und zu kondensieren, wird als kritischer Druck bezeichnet.

Spezifische Schwerkraft

Das spezifische Gewicht ist das Verhältnis zwischen der Dichte eines bestimmten Gases und der Dichte von trockener Luft, wobei beide bei denselben spezifizierten Temperatur- und Druckbedingungen gemessen werden, in der Regel 14,696 psia und 60 Grad F. Es sollte auch jegliche Abweichung der Kompressibilität von einem perfekten Gas berücksichtigen.

Komprimierbarkeit

Alle Gase weichen bis zu einem gewissen Grad von den perfekten oder idealen Gasgesetzen ab. In einigen Fällen ist die Abweichung ziemlich extrem. Diese Abweichungen müssen bei der Berechnung der Gasverdichtung berücksichtigt werden, um zu verhindern, dass die Booster über- oder unterdimensioniert sind, insbesondere bei Hochdruckanwendungen.

Die Kompressibilität wird experimentell aus Daten über das tatsächliche Verhalten eines einzelnen Gases oder Gasgemisches abgeleitet. Das Ergebnis dieser Ableitung wird als Kompressibilitätsfaktor "Z" oder Z-Faktor bezeichnet. Der Z-Faktor wird als Multiplikator in der grundlegenden Kompressionsformel verwendet. Die Tabelle auf der folgenden Seite enthält Z-Faktoren für einige häufig verwendete Gase.

HINWEIS: Die Angaben beziehen sich auf Gas mit einer Temperatur von 70 Grad F.