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Verfahren und Anlage zum Transport von realen Gasen, insbesondere
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Erdgas Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Transport
von realen Gasen, insbesondere Erdgas, über lange Strecken mittels einer Rohrleitung,
die aus hintereinandergeschalteten Abschnitten besteht, zwischen denen Kompressorstationen
zum Ausgleich des Druckverlustes im vorausgegangenen Rohrleitungsabschnitt vorgesehen
sind.
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Bei einer bekannten Ferngasleitung beträgt der Druck z.B. am Anfang
jedes Rohrleitungsabschnittes etwa 75 ata und am Ende des etwa 120 km langen Rohrleitungsabschnittes
etwa 50 ata. Vo dem Eintritt in den nächsten Rohrabschnitt wird der Druck des Gases
durch zweistufige Radialkompressoren, die durch Gasturbinen angetrieben werden,
wieder auf 75 ata erhöht. Der Transport erfolgt nach der Abgabe von Kompressionswärme
an Kühlwasser etwa bei Ungebungstemperatur, da die Leitung gegen Wärme gar nicht
oder durch gegen Korrosion schützende Beläge nur wenig isoliert im umgebenden Erdreich
liegt. Bei den Berechnungen wurde bisher allgemein angenommen, daß unter diesen
Verhältnissen der Transport isotherm xerläuft, daß sich also keine wesentlichen
Temperaturänderungen im Gase während des Transports ergeben.
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Solche Rohrleitungsanlagen mit ihren Kompreworstationen sind außerordentlich
kostspielig, und zwar sowohl in der Anlage als auch im Betrieb, da die in jeder
Kompressorstation benötigte Energie c-ic erheblichen Anteil der transportierten
Energiemenge darstellt.
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Es hat unter diesen Umständer nicht an Betrachtungen gefehlt, wie
man den Transport von Erdgas wirtschaftlicher gestalten kann, sei es durch Verbilligung
der Rohrleitungsanlagen mit allem Zubehör oder durch geringere relative Transportkosten.
Rohre größeren Durchmessers, mit denen der Druckverlust verringert und die
Kompressorstationen
entsprechend kleiner ausgelegt oder in größeren Abständen angeordnet werden könnten,
kosten jedoch bei den Längen, um die es sich hier handelt, wesentlich mehr als die
selbst über einen langen Zeitraum eingesparten Energiekosten.
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Es ist auch schon erörtert worden (H. Laurien "Taschenbuch Erdgas"
Oldenburg-Verlag 1970, S. 628, 629), den Transport von Erdgas in verflüssigtem Zustand
durchzuführen, da hierdurch eine Verkleinerung des spezifischen Volumens erreicht
wird, die zur Folge hat, daß die Förderleitung gegenüber einer Gasleitung gleichen
Durchmessers etwa 2 bis 3mal so groß und die aufzuwendende Förderenergie aufgrund
der geringeren Reibungsverluste erheblich geringer ist. Wie aus der genannten Literaturstelle
zu entnehmen ist, sind solche Rohrleitungen für flüssiges Erdgas auf kurzen Strecken
bereits eingesetzt worden. Für Überlandleitungen von Hunderten oder Tausenden von
Kilometern scheitern diese Vorstellungen an der Überlegung, daß ein Rohr von 100
km Länge und einem Durchmesser von 48" eine Wandfläche yon ca. 300 000 m2 hat, die
als Wärmetauschfläche anzusehen ist und über die das flüssige Erdgas von der Umgebung
her aufgeheizt wird. Da eine vollkommene Wärmeisolierung nicht möglich ist, wird
das flüssige Erdgas sehr bald in den dampfförmigen Zustand übergeführt,womit der
erstrebte Zweck vereitelt ist. Wie aus dem genannten Taschenbuch auch zu entnehmen
ist, ist die Fachwelt der Ansicht, daß eine Temperaturabsenkung keine entscheidenden
Vorteile beim Transport von Erdgas bringt, wenn es innerhalb einer wirtschaftlichen
Temperaturerniedrigung nicht zur Verflüssigung des Gases kommt.
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Daß die Fachwelt im Transport von kaltem Gas keine entscheidenden
Vorteile sieht, mag auch auf die naheliegende Überlegung zurückzuführen sein, daß
das Gas bei der bei langen Rohrleitungen unvermeidlichen Zwischenverdichtung erheblich
erwärmt'wird und daß die hinter den Kompressoren über Kühlwasser erzielbare Temperatursenkung
des Gases kaum tiefer als auf +200C erfolgen kann, so daß der Einsatz von Kältemaschinen
erforderlich wird. Diese sind nicht nur sehr aufwendig, sondern ihr Energiebedarf
übersteigt
auch bei weitem die durch den Kältetransport erzielbare
Energieeinsparung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem ein
wesentlich wirtschaftlicherer Transport von realen Gasen, insbesondere Erdgas, über
weite Strecken möglich ist. Der Erfindunq liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich
eine Rohrleitung ohne äußere Wärmezufuhr thermodynamisch wie eine Drossel verhält.
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Ein solcher Drosselvorgang erfolgt bei gleichbleibender Enthalpie.
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Während sich die Temperatur eines idealen Gases bei der Drosselung
nicht ändert, findet bei der Drosselung eines realen Gases durch van der Waal'sche
Kohäsionskräfte zwischen den Molekülen eine Temperaturänderung statt, die auch als
Joule-Thomson-Effekt hezeichnet wird. Dieser Effekt bewirkt bei bestimmten Drücken
und Temperaturen eine beträchtliche Abkühlung des Gases. Dieser Umstand wird erfindungsgemäß
für einen wirtschaftlichen Transport von Erdgas ausgenutzt, da durch den Transport
bei tiefen Temperaturen aufgrund des geringen spezifischen Volumens die F(irderleistung
bei einer Rohrleitung mit gegebenem Durchmesser nicht unbeträchtlich erhöht wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß Druck
und Temperatur des Gases am Anfang jedes Rohrleitungsabschnittes so gewählt werden,
daß die durch den Druckabfall in einem Rohrabschnitt erfolgende Temperaturerniedrigung
zur Riickkühlung des durch die am Ende des Rohrleitungsabschnitts erfolgende Kompression
erwärmten Gases vor dessen Eintritt in den nächsten Rohrleitungsabschnitt benutzt
wird.
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Vorzugsweise liegt am Anfang jedes Rohrleitungsabschnittes der Druck
zwischen 75 und 150 ata und die Temperatur unter -10°C.
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Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich bei etwa -30°C.
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Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag gelingt es, ein tiefgekühltes
und daher entsprechend dichtes Gas ohne Kühlung lurch Kältemaschinen über praktisch
beliebig lange Strecken zu transportieren,
wobei der zusätzliche
Vorteil eintritt, daß durch die Erwärmung des Gases vor Eintritt in den Kompressor
die Anforderungen an die Materialfestigkeit des Kompressors herabgesetzt werden
können.
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Entgegen der landläufigen Meinung tritt also bei Wahl des richtigen
Druck- und Temperaturbereiches trotz der entstehenden Reibungswärme und des Wärmeeinfalles
aus der Umgebung nicht nur keine Erwärmung des Gases, sondern sogar eine Temperaturerniedrigung
ein, die erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise dazu benutzt wird, das Gas, das
durch den Kompressionsvorgang, in welchem es wieder auf den Anfangsdruck gebracht
und dabei beträchtlich erwärmt wird, auf die Anfangstemperatur abzukühlen. Dieser
Kühlungsvorgang erfolgt in einem Gegenstrom-Wärmetauscher, der einerseits von kaltem
Gas aus dem ankommenden Rohrleitungsabschnitt und andererseits von dem erwärmten,
vom Kompressor zum folgenden Rohrleitungsabschnitt strömenden Gas durchströmt wird.
Ein vorteilhafterweise zwischen dem Kompressor und dem Wärmetauscher angeordneter
Gaskühler führt im wesentlichen die Kompressionswärme an Wasser oder Luft ab und
kühlt das Gas auf eine Zwischentemperatur, von der aus es dann im Gegenstrom-Wärmetauscher
auf die gewünschte Eintrittstemperatur in den folgenden Rohrleitungsabschnitt abgekühlt
wird.
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Um diese Temperaturerniedrigung zu erreichen, müssen Anfanqsdruck
und -temperatur in jedem Rohrabschnitt so gewählt werden, daß der Wärmeeinfall aus
der Umgebung über-kompensiert wird. Dieser warmeeinfall ist abhängig von der Wärmeisolierung
des Rohres. Diese Isolierung ist nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung so
bemessen, daß der Wärmeeinfall geringer ist als die Hälfte des Enthalpiebetrages,
der nötig wäre, um die Temperaturerniedrigung rückgängig zu machen.
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Um die Rohrleitungsabschnitte möglichst lang machen zu können und
dadurch bei gleichem Rohrdurchmesser für eine gegebene Strecke mit weniger Kompressorstationen
auskommen zu können, ist es zweckmäßig,
Kompressoren zu verwenden,
die ein Druckverhältnis von Enddruck zu Eintrittsdruck von mindestens 1,8 aufweisen.
Dieses Druckverhältnis wird beispielsweise mittels zwei- oder besser dreistufiger
Radialgebläse erreicht.
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Da bekanntlich bei sinkendem Druck die Druckverluste je Kilometer
ansteigen, ist es zweckmäßig, wenn jeder Rohrleitungsabschnitt mit zunehmender Länge
einen zunehmenden Querschnitt aufweist. Dies kann beispielsweise durch stufenweise
Vergrößerung des Rohrdurchmessers erreicht werden oder dadurch, daß mehrere Rohre,
vorzugsweise im letzten Drittel des Rohrleitungsabschnittes, parallel geschaltet
werden.
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Es ist ersichtlich, daß bei dem vorgeschlagenen Verfahren eine Abkühlung
des Gases mittels einer Kältemaschine nur vor Eintritt des Gases in den ersten Rohrleitungsabschnitt
erfolgen muß, da das Erdgas in der Regel aus der Reinigungsanlage mit etwa +200C
anfällt. Über den ganzen weiteren Verlauf der Rohrleitung ist dann keine Kältemaschine
mehr erforderlich.
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Selbst die Kädemaschine vor dem ersten Rohrleitungsabschnitt kann
entfallen, wenn das Erdgas schon kalt oder in verflüssigter Form vorliegt, wie letzteres
beispielsweise beim Transport mit Tankern an der Entladestelle der Fall ist. Hierbei
wird die meist unter atmosphärischem Druck stehende Flüssigkeit mittels einer Pumpe
auf hohere Drücke, z.B. 50 bis 150 ata, gebracht und in einem Verdampfer beispielsweise
auf -300C erwärmt.
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Da das Gas am Ende eines Rohrleitungsabschnittes schon sehr kalt ist
und eine Temperatur von beispielsweise -450C und tiefer haben kann, kann es mit
relativ geringem zusätzlichen Aufwand verflüssigt werden. Diese Maßnahme bietet
sich z.B. dann an, wenn das Gas von der Quelle über eine lange Rohrleitung zu einem
Hafen gefördert und in verflüssigter Form in Tanker verladen werden soll.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
im
einzelnen erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles
einer erfindungsgemäßen Rohrleitungsanlage, Fig. 2 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels
von Fig. 1, Fig. 3 ein Ts-Diagramm für Methan, und Fig. 4 ein Diagramm, das die
Enthalpiedifferenz bei Druckänderung zeigt.
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Es wird zunächst auf Fig. 1 bezuggenommen, in der schematisch der
erste und der zweite Rohrleitungsabschnitt einer erfindungsgemäßen Rohrleitungsanlage
dargestellt sind. Bei dieser Rohrleitungsanlage wird von verflüssigtem Erdgas ausgegangen,
das mittels Tankern zum Beginn einer Erdgasleitung transportiert wird.
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Der Transport zum Verbraucher erfolgt durch eine Rohrleitung, die
aus hintereinandergeschalteten Rohrleitungsabschnitten von jeweils beispielsweise
120 km Länge besteht, zwischen denen Kompressorstationen zum Ausgleich des Druckverlustes
im vorausgegangenen Rohrleitungsabschnitt vorgesehen sind. In Fig. 1 sind zwei solche
Rohrleitungsabschnitte 1 und 2 dargestellt, zwischen denen eine allgemein mit 3
bezeichnete Kompressorstation angeordnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird
das flüssige Erdgas aus einem wärmeisolierten Behälter 4, der auch von dem Transportraum
des Tankers gebildet werden kann, mittels einer Pumpe 5 auf hohen Druck, beispielsweise
150 ata gebracht und einem Verdampfer 6 zugeführt, der eine Heizschlange 7 aufweist,
die von warmem Wasser durchströmt wird, das durch eine Wärmequelle8erwärmt wird.
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Das Erdgas verläßt dampfförmig den Verdampfer 6 mit einer Temperatur
von beispielsweise -30°C und einem Druck von 150 ata und tritt in diesem Zustand
in den ersten Rohrleitungsabschnitt 1 ein.
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Natürlich kann die Temperatur des aus dem Verdampfer 6 austretenden
Dampfes auch niedriger, z.B. -500C oder -70°C gekühlt werden.
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Am Ende 9 dieses Rohrleitungsabschnittes 1 hat das Gas aufgrund der
Reibungsverluste einen Druck von beispielsweise nur noch 80 ata. Wie aus dem Diagramm
von Fig. 3 hervorgeht, würde dieser Druckverlust von 150 ata auf 80 ata bei einer
Förderung ohne jede Wärmezufuhr von außen längs der Isenthalpe H = 3250 keal/!lol
zu einer Temperatursenkung auf etwa -530C führen.
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Da jedoch keine absolute Isolierung der Rohrleitungsabschnitte möglich
ist, wird die Austrittstemperatur des Gases am Ende 9 des ersten Rohrleitungsabschnittes
1 in der Praxis etwa -450C betragen. Das Erdgas wird nun der Kompressorstation 3
zugeführt, in der es wieder auf den Anfangsdruck von 150 ata gebracht wird, und
dann dem Anfang des zweiten Rohrleitungsabschnittes 2 zugeführt. Die Kompressorstation
3 enthält einen Gegenstrom-Wärmetauscher 10, einen im Beispiel dreistufigen Kompressor
11 und einen Gaskühler 12. Das aus der Rohrleitung 1 ankommende Gas strömt mit einem
Druck von 80 ata und einerTemperatur von -45°C in den Gegenstrom-Wärmetauscher 10
ein, wo es durch Wärmeufnahme von dem durch die Kompression erwärmten Gas beispielsweise
auf +12°C erwärmt wird. In dem Kompressor 11 erfolgt anschließend eine Druckerhöhung
von 80 ata auf 150 ata bei gleichzeitiger Erwarmung des Gases auf +750C. Ein Teil
dieser Kompressionswärme wird dem Gas in dem beispielsweise mit Wasser betriebenen
Gaskühler 12 entzogen, so daß das Gas nun mit einer Temperatur von beispielsweise
+250C in den Wärmetauscher 10 eintritt. Die Temeraturdifferenz am warmen Ende des
Wärmetauschers 10 beträgt also 120C, was einen Gegenstrom-Wärmetauscher mit wirtschaftlichen
Ahmessungen ermöglicht. Aus dem Wärmetauscher 10 tritt das Gas ntln mit -300C aus
und gelangt mit dem Druck von 150 ata in den zweiten Rohrleitungsabschnitt 2. Die
Temperatur und Druckverhältnisse am Anfang des zweiten Rohrleitungsabschnittes 2
sind also etwa die gleichen wie am Anfang des ersten Rohrleitungsabschnittes 1.
Am Ende 13 des zweiten Rohrleitungsabschnittes 2 ist wieder eine Kompressorstation
entsprechend der Kompressorstation 3 vorgesehen, um etwa die gleichen Verhältnisse
bei Eintritt des Gases in den nächsten Rohrleitungsabschnitt wie zu Beginn des ersten
und des
zweiten Rohrleitungsabschnittes zu schaffen.
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Die angegebenen Drücke und Temperaturen sollen lediglich als Beispiel
verstanden werden. Die Anfangstemperatur von -300C am Anfang jedes Rohrleitungsabschnittes
wurde mit Rücksicht auf die Festigkeit der derzeit verfügbaren und wirtschaftlich
noch verwendbaren Werkstoffe gewählt. Immerhin beträgt das spezifische Volumen bei
-300C und 100 ata nur etwa die Hälfte als bei Umgebungstemperatur (+200C) und Atmosphärendruck,
so daß die Förderleistung einer gegebenen Rohrleitung verdoppelt wird. Ist es aufgrund
der Verwendung entsprechender Materialien möglich, den Transport beispielsweise
bei -70°C durchzuführen, so wird sich das auf spezifische Volumen bei 100 ata/weniger
als auf-ein Drittel verringern, d.h., es könnte durch eine gegebene Rohrleitung
bei gleicher Gasgeschwindigkeit die dreifache Erdgasmenge als bei Umgebungstemperatur
gefördert werden.
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Die beispielsweise aus Niob- oder Tantal-legiertem Stahl bestehende
Rohrleitung ist mit einer Wärmeisolierung 14 versehen, die so bemessen sein sollte,
daß der Wärmeeinfall aus der Umgebung geringer ist als die Hälfte des Enthalpiebetrages,
der nötig wäre, um die Temperaturerniedrigung rückgängig zu machen. Eine derartige
WArmeisolierung ist noch mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand durchzuführen.
Sie gewährleistet, daß die Temperaturerniedrigung am Ende jedes Rohrleitungsabschnittes
ausreichend ist, um eine Riickkühlung des Erdgases vor dem Eintritt in den folgenden
Rohrleitungsabschnitt auf die Anfangstemperatur ohne Kältemaschine zu ermöglichen.
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In Fig. 2 ist nur der Anfang des ersten Rohrleitungsabschnittes 1
dargestellt, und zwar wird hierbei nicht wie beim Ausführunqsbeispiel gemäß Fig.
1 von verflüssigtem Erdgas ausgegangen, sondern von Erdgas, wie es hinter der Reinigungs-
oder Aufbereitungsanlage 15 anfällt. Dieses Erdgas wird z.B. einem vierstufigen
Verdichter 16 und nach Durchströmen eines Zwischenkühlers 19
einem
dreistufigen Kompressor 16' zugeführt und dabei auf den gewünschen Druck von z.B.
150 ata verdichtet. Das Gas wird nun in einem beispielsweise mit Wasser betriebenen
Gaskühler 17 auf eine Temperatur von etwa +200C abgekühlt und schließlich in einer
Kältemaschine 18 auf die gewünschte Anfangstemperatur von beispielsweise -3O0C gebracht.
Das Erdgas tritt also wie bei Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit einer Temperatur
von -300C und einem Druck von 150 ata in den ersten Rohrleitungsabschnitt ein.
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Der Weitertransport des Erdgases erfolgt in der gleichen Weise wie
beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1.
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Wenn diese Anlage zum Transport von Erdgas zu einem Hafen dient, in
welchem das Gas in verflüssigter Form in Tanker gepumpt werden soll, so ist an das
Ende des letzten Rohrleitungsabschnittes eine Verflüssigungsanlage anzuschließen,
die aufgrund des Umstandes, daß das Gas bereits mit einer sehr niedrigen Temperatur,
beispielsweise -450C austritt, verhältnismäßig klein sein kann.
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Fig. 3 zeigt das T,sDiagramm für Methan, das mit 90 Vol.% und mehr
im Erdgas enthalten ist. Die T,s-Diagramme derartiger methanreicher Gemische ähneln
sich und lassen grundsätzlich gleiche Folgerungen zu. Die im folgenden genannten
Beispiele beziehen sich auf reines Methan.
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In diesem T,s-Diagramm ist der Verlauf der Zustarianderung des Gases
nach dem vorgeschlagenen Verfahren an einem Beispiel dargestellt: Das Gas tritt
unter 150 ata mit einer Temperatur von -270C in Punkt 0 in den Rohrleitungsabschnitt
ein und verläßt ihnen Punkt 1 bei 80 ata und -450C. Wäre das Rohr so stark isoliert,
daß dem Gas keine Wärme von außen zufließt, so würde sich der Gaszustand längs einer
Isenthalpe (H=3250 kcal/Mol) nach Punkt 1' ändern.
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Wäre andererseits der Wärmezustrom so groß, daß die Zustandsänderung
isotherm nach Punkt 1" (H=3640 kcal/Mol) verläuft, so wäre die aufzuwendende Wärme
i2H=390 kcal/Mol = 24.4 kcal/kp.
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Diese Wärmemenge wäre also nötig, um die Temperaturerniedrigung von
-270C auf -450C rückgängig zu machen.
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Infolge der Isolierung ist der Wärmezustrom jedoch begrenzt. Der tatsächliche
Gaszustand am Ende des Rohrleitungsabschnittes ist im Punkt 1 angenommen, zu dessen
Erreichung statt 390 kcal/kp nur 150 kcal/kp - also weniger als die Hälfte - zugeführt
werden.
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Das Gas verläßt diesen Rohrleitungsabschnitt und tritt in den Gegenstrom-Wärmetauscher
der Kompressoranlage ein, wo es sich längs der 80 ata Isobaren von Punkt 1 auf +130C
erwärmt (Punkt 2), ehe es in den Kompressor eintritt. Bei adiabatischer Kompression
würde sich die Temperatur bei der Verdichtung von 80 ata auf 150 ata auf +620C erhöhen
(Punkt 3'). Tatsächlich erfolgt eine Erwärmung längs einer Polytrope zu Punkt 3
auf +730C. In dem Gaskühler wird die Temperatur isobar von Punkt 3 auf ca. +25"C
(Punkt 4) und von dort im Gegenstrom-Wärmetauscher auf -27°C (Punkt 0) abgesenkt
als Eintrittstemperatur für den nachfolgenden Rohrleitungsabschnitt.
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In Fig. 4 ist gezeigt, wie sich die Enthalpie H bei Drucksenkung um
1 at bei verschiedenen Temperaturen verhält. Bei einem idealen Gas ändert sich die
Enthalpie mit dem Druck nicht und die entsprechende Kurve würde etwa mit der X-Achse
zusammenfallen. Unter den beim Gastransport in Frage kommenden Temperatur- und Druckverhältnissen
jedoch, bei denen das Methan ein überhitzter Dampf ist, spielen die Van der Waals'schen
Kräfte eine sehr große Rolle und bedingen zur Uberwindung der Anziehungskräfte zwischen
den Moleküpen erhebliche Energiemengen, die sich in der Enthalpieänderung auswirken.
Die Kurvenzüge für den jeweiligen Temperaturparameter verlaufen um so höher, je
niedriger die Gastemperatur ist. Je größer die Enthalpiesenkung ist, um so mehr
kühlt sich das Gas beim Transport in der isolierten Rohrleitung ab. Es ist aus Fig.
4 zu erkennen, daß hierfür optimale Voraussetzungen in dem in Frage kommenden Druckgebiet
dann vorliegen, wenn die EnthalpieSnderung über 0,3 kcal/kp at beträgt.
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