Die Strömung von Gasen in Leckagen, Teil 2

In der Vakuumtechnik wir die Leckrate allgemein als Volumen-Leckrate angegeben. Es gibt aber Berufszweige, wo die Leckrate als Gewichts-Leckrate gemessen wird. Das folgende Beispiel zeigt die Umrechnung von Gewichts- in Volumenleckrate (bei gleich bleibendem Druck und gleich bleibender Temperatur), wobei auch noch die Änderung der Gasart zwischen Betriebsgas und Suchgas berücksichtigt wird.

31.) Umrechnung von Gewichts-Leckrate auf Volumen -Leckrate.

Deutlich wird der Unterschied in der Leckrate bei molekularer Strömung an einem Beispiel aus der Kühlgeräteindustrie. Nehmen wir an, ein Kühlschrankhersteller fordert als Qualitätsmerkmal von seinen Geräten eine Dichtheit von maximal 0,01 Gramm Frigenverlust (R-12) pro Jahr (in diesem Industriezweig ist es üblich, die Leckrate als Gewichtsleckrate anzugeben). Die entsprechende Volumen-Leckrate ist (die Umrechnung erfolgt über das mol - die molare Masse von R-12 ist 121):

Das ist die Gasmenge R-12 pro Jahr. Als Leckrate ergibt dies (das Jahr hat 3,1536  x  10    Sekunden):

Das ist aber noch nicht ganz richtig, denn das Mol ist definiert bei 0

..

C und 1.013 bar; der Test fand aber bei Raumtemperatur (20 Grad Celsius) statt. Wir müssen also noch entsprechend dem Gesetz von Charles, die Temperatur korrigieren:   

Bei molekularer Strömung, bei gleich bleibendem Differenzdruck und gleich bleibender Temperatur ergibt sich daraus die folgende Helium-Leckrate:

Das letztgenannte Beispiel ist allerdings nicht sehr praxisnah. Es sollte nur zeigen, dass in diesem Fall die Helium- Leckrate um den Faktor von rund 5,5 größer ist als die Kühlmittel-Leckrate. In der Praxis werden Dichtheiten gefordert die zwischen 1 Gramm bis 5 Gramm Kühlmittelverlust pro Jahr liegen. Damit gelangen die Leckraten schon wieder in den laminaren Strömungsbereich.
Weitere Berechnungsbeispiele finden Sie im Seminar über Dichtheitsmessungen und Lecksuchmethoden (siehe unter Produkte).

32.) Umrechnung von Helium-Leckrate bei molekularer Strömung auf andere Gase

Tabelle 12

Die geometrischen Abmessungen des Lecks, obwohl meistens unbekannt, haben bei molekularer Strömung im Unterschied zur laminaren Strömung unterschiedlichen Einfluss auf die Leckrate. Der Durchmesser des Lecks geht mit der dritten Potenz in die Leckrate ein (im Vergleich zur 4.Potenz bei laminarer Strömung). Bei Änderung der Gasart ändert sich die Leckrate reziprok proportional zum Quotienten der Quadratwurzeln der relativen Molekülmassen.(molaren Massen)

33.) Die Strömung im Übergangsbereich.

Der Übergang von laminarer zu molekularer Strömung geschieht allmählich. Beide Strömungsarten sind vorhanden, wobei erst die eine und dann die andere Strömungsart überwiegt. Man kann dies so verstehen, dass beide Strömungsarten gemischt vorkommen, oder dass am Eintritt des Gases in die Leckkapillare laminare Strömung herrscht, die dann zum Austritt aus der Leckkapillare in molekulare Strömung übergeht.

Die mathematische Beschreibung dieses Zustandes ist schwierig. Es gibt mehrere Formeln, die diesen Zustand beschreiben, alle unterliegen gewissen Einschränkungen. Die einfachste Formel stammt von

Burrow

. Er hat die Formeln für laminare und molekulare Strömung miteinander kombiniert:

Diese Formel ist für Überschlagsrechnungen geeignet, wenn man für die geometrischen Abmessungen die Maße einer idealisierten, fiktiven Leckkapillare (runder Querschnitt, Länge größer als Durchmesser) einsetzt. Dabei schätzt man, ob die laminare oder molekulare Strömung überwiegt und benutzt die Formel von Poisseuille oder Knudsen, um die Abmessungen des fiktiven Lecks zu errechnen.

34.) Die Ansprechzeit

Die auf Datenblättern und Spezifikationen von Lecksuchgeräten angegebenen Ansprechzeiten sind nur die Eigen -Ansprechzeiten dieser Geräte (d.h. Gerät mit angeschlossenem Referenzleck). Die Ansprechzeit einer Lecktest -Anordnung ergibt sich aus dem evakuierten Volumen des Prüfobjektes und dem effektiven Saugvermögen der angeschlossenen Pumpen. Der Quotient aus Volumen und Saugvermögen ergibt die Ansprechzeitkonstante:

35.)Beispiel: Integraler Dichtheitstest an einem Wärmetauscher

(Ein Beispiel über die Wichtigkeit der  Beachtung der Ansprechzeit)

Bei dem Gesamt-Saugvermögen ist der Verlust an Saugvermögen durch Strömungswiderstände berücksichtigt. Der Mantelraum wird zum Test evakiert und in den Rohrraum wird Helium eingefüllt.

 
Die Ansprechzeitkonstante beträgt hier:

Zum Anstieg des Leckratensignals auf den endgültigen Wert werden ca. 5 Zeitkonstanten benötigt (siehe die folgende Tabelle), also muss, nachdem unter den Folien der Rohrraum mit 100% Helium gefüllt wurde, rund 18 Minuten und 23 Sekunden gewartet werden, bis das Messergebnis abgelesen wird.

(Mehr über die Dichtheitsprüfung an Wärmetauschern siehe

.............

)

hier

36.) Die Größe des Leckratensignals nach x Zeitkonstanten in %

Tabelle 13

Ansprechzeiten wie in diesem Beispiel (rund 18 Minuten) sind bei einem Integraltest überhaupt nicht hinderlich. Eine Leckortung mit einer solchen Ansprechzeit ist aber nicht möglich. Zur Leckortung muss die Ansprechzeit im Sekundenbereich liegen.