Warum Gasflaschen bersten?

Gasflasche vom Gabelstapler
Foto: Rainer Schwarz

Eine Gasflasche ist ein geschlossenes System. Steigt der Druck in der Flasche, wird diese irgendwann bersten. Aber warum steigt der Druck in einem Druckgasbehälter, wo doch nichts zusätzlich „hineingepumpt“ wird?

„Wärme ist der Ausdruck der molekularen Bewegung.“ Dieser Satz, der auf dem Grundsatz der brownschen Molekularbewegung fußt, bedeutet etwas trivial zusammengefasst, dass je höher die Temperatur eines Gases (oder einer Flüssigkeit) ist, desto schneller bewegen sich die Moleküle. Unter (theoretischen) perfekten Bedingungen ist also Temperatur „als Maß für die mittlere kinetische Energie der Moleküle“ definiert.

Aus dieser Definition erkennt man auf Anhieb, warum eine Atemschutzflasche warm wird, wenn man diese füllt, wird bei diesem Vorgang doch ein Gas – nämlich Atemluft – mit hoher Geschwindigkeit in den Druckgasbehälter gedrückt.
Aus dieser Erkenntnis erklärt sich auch das Gesetz von Gay Lussac, welches besagt, dass bei gleich bleibendem Volumen sich der

• Druck (Physik) (p) der vorgegebenen Gasmenge im gleichen Maß wie die
• Temperatur T (in Kelvin) ändert.

Dieses und das Gesetz von Boyle-Mariotte, welches besagt, dass das Produkt aus Druck und Volumen konstant ist, beschreiben dieses Phänomen für ideale Gase sehr gut.

Das Volumen bezieht sich auf die tatsächliche Gasmenge im Behälter. So sind bei 300 bar in einer 6,8 Liter CFK-Flasche 2040 Liter Atemluft vorhanden. Nach dem Abkühlen sind dies allerdings nur noch rund 1873 Liter. Der Verlust von 10% des Atemluftvolumens ist direkt proportional zur verbleibenden Arbeitszeit. Nehmen wir an, wir haben eine Atemschutzflasche unter perfekten Bedingungen mit 300 bar Atemluft bei einer Umgebungstemperatur von 19° Grad Celsius gefüllt. Nun bricht ein Brand in der Nähe der Flasche aus. Das Feuer lodert direkt an der Flasche und erreicht eine Temperatur von 600° Celsius.
Es wird für dieses Beispiel angenommen, dass das Feuer lange genug brennt, dass sich die Flasche und das sich darin befindliche Gas auf ebendiese Temperatur erwärmt.
So kommen wir zu der Formel:

Diese Erhöhung des Drucks führt zu einer Überschreitung des Berstdrucks der Gasflasche. Es käme zum Zerknall, würde sich nicht – was viel wahrscheinlicher ist – das Ventil vorher verabschieden.
Bei Flüssiggasen, wie zum Beispiel Propan, kann dieses Gasgesetz so nicht angewendet werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Flüssigkeiten nicht komprimierbar sind. Propan etwa wird bei einem Druck von bereits 8 bar flüssig.
Der maximal zulässige Druck (Physik) ist abhängig vom Dampfdruck des Gases (Bei Propan: Berstdruck ca. 100 bar, Sicherheitsventil muss bei 30 bar reagieren).

Ist der Behälter nun auf das erlaubte Niveau bei einer Temperatur von 20° Celsius mit Flüssiggas gefüllt, so wird durch eine Temperaturerhöhung, zum Beispiel durch einen Brand, das gesamte Behältervolumen mit dem verflüssigten Gas ausgefüllt.
Durch den Temperaturanstieg erhöht sich der Druck (Physik) im Inneren des Behälters, wodurch vorhandener Dampf verflüssigt wird.
Ist der gesamte Behälter mit Flüssiggas ausgefüllt, steigt der Druck um 7 bis 8 bar pro 1° Grad Celsius.

Dieser weitaus drastischere Druckanstieg (als bei idealen Gasen) ist darauf zurückzuführen, dass Flüssigkeiten inkompressibel sind. So erkennt man, dass nach kurzer Beflammung des Behälters dessen Inhalt den Berstdruck rasch erreicht. Das Sicherheitsventil kommt in der Regel bei einem solch rasanten Druckanstieg mit dem Ablassen nicht nach.
Meist reißt nur der Behälter auf und es entweicht mit hoher Austrittsgeschwindigkeit das Flüssiggas. Während dieses Vorgangs dehnt es sich rasch aus. Aus einem Liter komprimierten Flüssiggas werden bei dieser Verdampfung 260 Liter Gas. Dies führt bei vorhandener Zündquelle zu einem großen Feuerball. Diese Erscheinung wird BLEVE genannt, was für „Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion“ steht (zu Deutsch: „Gasexplosion einer expandierenden siedenden Flüssigkeit“).

Zur Info: Dampfdruck

Ist neben dem Gas noch dieses als Flüssiggas vorhanden oder möglich, so nennt man das Gas „Dampf“. Der Dampfdruck ist also jener Druck, welcher in einem System mit beiden Aggregatzuständen – flüssig und gasförmig – auftritt.

Text:

• Ing. Richard Berger

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