Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul JTHO berechnet die Austrittstemperatur bei der adiabaten Drosselung von Erdgas, also den Joule-Thomson-Effekt an Druckregelstationen, Regelventilen und Blenden. Vorgegeben werden die Gaszusammensetzung (Erdgas H, Erdgas L oder eine frei definierte Mischung), der Eintrittsdruck, der Austrittsdruck und die Eintrittstemperatur; das Modul ermittelt daraus die Temperatur nach der Drossel für die isenthalpe Zustandsänderung h = konstant.
In der Praxis ist die Joule-Thomson-Abkühlung von Erdgas ein zentrales Auslegungskriterium für Gasdruckregel- und Messanlagen (GDRM-Anlagen): Bei der Entspannung von hohem Netzdruck auf Verteilnetzdruck kühlt Erdgas typischerweise um etwa 0,4 bis 0,5 K je bar Druckabfall ab. Ohne Vorwärmung drohen Hydratbildung, Kondensatausfall und Vereisung von Armaturen. Wer die Austrittstemperatur bei Drosselung berechnen will, braucht ein Realgasmodell, denn beim idealen Gas wäre die Temperaturänderung null.
Das Modul löst die Aufgabe über die Realgas-Zustandsbeschreibung des jeweiligen Gasgemisches und liefert damit die Grundlage für die Auslegung von Vorwärmern und für die Bewertung, ob Mindesttemperaturen an nachgeschalteten Bauteilen eingehalten werden.
So läuft die Berechnung ab
- Gaszusammensetzung festlegen: Zunächst wird das Erdgas definiert: entweder als typisches Erdgas H oder Erdgas L oder als beliebige Zusammensetzung aus den Komponenten (Methan, Ethan, Propan, Stickstoff, CO2 usw.). Die Zusammensetzung bestimmt das Realgasverhalten und damit den Joule-Thomson-Koeffizienten.
- Zustand vor der Drossel eingeben: Eingegeben werden Druck und Temperatur vor der Drossel. Aus diesen Werten bestimmt das Modul die spezifische Enthalpie des Gasgemisches im Eintrittszustand.
- Austrittsdruck vorgeben: Der Druck nach der Drossel wird als zweiter Prozessparameter gesetzt. Die Drosselung selbst wird als adiabat und arbeitslos angenommen, sodass die Enthalpie erhalten bleibt.
- Isenthalpe Endtemperatur iterieren: Das Modul sucht auf der Isenthalpen h(p1, T1) = h(p2, T2) die zugehörige Austrittstemperatur T2 beim vorgegebenen Austrittsdruck. Die Temperaturabsenkung ergibt sich aus dem integralen Joule-Thomson-Effekt über den gesamten Druckabbau.
- Ergebnis bewerten: Die berechnete Endtemperatur wird mit den zulässigen Betriebsgrenzen verglichen, etwa der Hydratbildungstemperatur, dem Taupunkt oder der tiefsten zulässigen Bauteiltemperatur, und daraus die erforderliche Vorwärmleistung abgeleitet.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Vor der Drossel | ⇒ | °C |
| Nach der Drossel | Drossel | °C |
| Vor der Drossel | Drossel | Pa |
| Nach der Drossel | Drossel | Pa |
| Stickstoff | N2 | mol-% |
| Methan | CH4 | mol-% |
| Kohlendioxid | CO2 | mol-% |
| Ethan | C2H6 | mol-% |
| Propan | C3H8 | mol-% |
| n-Butan | C4H10 | mol-% |
| Bemerkung | Erdgas | – |
| Wasserstoff H2 | Konzentration | mol-% |
| Wasserstoff | Zumischung | – |
| n-Pentan | C5H12 | mol-% |
| n-Hexan | C6H14 | mol-% |
Berechnungsoptionen
Bemerkung
freie Eingabe · Erdgas L · Erdgas H · Russland-Erdgas H nach DVGW Arbeitsblatt G290 · Nordsee-Erdgas H nach DVGW Arbeitsblatt G290 · Dänemark-Erdgas H nach DVGW Arbeitsblatt G290 · Holland -Erdgas L nach DVGW Arbeitsblatt G290 · Deutschland Erdgas L nach DVGW Arbeitsblatt G290 · Biomethan H nach DVGW Arbeitsblatt G290 · Biomethan H + LPG nach DVGW Arbeitsblatt G290
Häufige Fragen
Warum kühlt Erdgas beim Drosseln überhaupt ab, obwohl keine Wärme abgeführt wird?
Bei realen Gasen ist die Enthalpie nicht nur von der Temperatur, sondern auch vom Druck abhängig. Beim isenthalpen Druckabbau leisten die Gasmoleküle Arbeit gegen ihre zwischenmolekularen Anziehungskräfte; diese Energie wird der inneren Energie entzogen und die Temperatur sinkt. Bei einem idealen Gas wäre der Joule-Thomson-Koeffizient null und die Temperatur bliebe konstant.
Wie groß ist die Abkühlung bei Erdgas typischerweise?
Als Faustwert kühlt Erdgas im üblichen Betriebsbereich von Transport- und Verteilnetzen um etwa 0,4 bis 0,5 K je bar Druckdifferenz ab. Der genaue Wert hängt von Zusammensetzung, Druckniveau und Temperatur ab und wird deshalb im Modul über das Realgasverhalten des konkreten Gemisches berechnet, nicht über einen konstanten Faustwert.
Kann die Temperatur beim Drosseln auch steigen?
Ja. Oberhalb der Inversionstemperatur wechselt der Joule-Thomson-Koeffizient das Vorzeichen und das Gas erwärmt sich beim Entspannen. Für Erdgas liegt die Inversionstemperatur allerdings weit oberhalb üblicher Betriebstemperaturen, sodass in Gasdruckregelanlagen praktisch immer Abkühlung auftritt. Wasserstoff und Helium erwärmen sich dagegen schon bei Umgebungstemperatur beim Drosseln.
Warum ist die Berechnung für die Auslegung von GDRM-Anlagen wichtig?
Sinkt die Gastemperatur unter den Wasser- oder Kohlenwasserstofftaupunkt, drohen Hydratbildung und Kondensatausfall, die Regelgeräte blockieren können. Außerdem müssen Mindesttemperaturen der Werkstoffe und der nachgeschalteten Rohrleitung eingehalten werden. Aus der berechneten Austrittstemperatur ergibt sich direkt, ob und wie stark das Gas vor der Entspannung vorgewärmt werden muss.