Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul EGAS berechnet die Stoffwerte von gasförmigem Erdgas in Abhängigkeit von Druck und Temperatur: Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, dynamische und kinematische Viskosität, Prandtl-Zahl, thermischen Ausdehnungskoeffizienten, Temperaturleitfähigkeit, spezifische Enthalpie, Isentropenexponent und Realgasfaktor. Zusätzlich werden Molmasse, spezifische Gaskonstante und die Normdichte bei 0 °C und 1,01325 bar ausgewiesen.
Da Erdgas kein Reinstoff ist, arbeitet das Modul mit der Gaszusammensetzung: Hinterlegt sind die beiden charakteristischen Qualitäten Erdgas L und Erdgas H; alternativ lassen sich die Molanteile von Methan, Ethan, Propan, Butan, Stickstoff und Kohlendioxid frei vorgeben. So können auch abweichende Netzgase oder Prozessgase abgebildet werden. Die Werte werden für zwei Zustandspunkte gleichzeitig berechnet, etwa Ein- und Austritt eines Apparats.
Gebraucht werden diese Stoffdaten überall, wo Erdgas strömt oder erwärmt wird: bei der Auslegung von Erdgasvorwärmern und Wärmetauschern (Prandtl-Zahl, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität für die Nusselt-Korrelationen), bei Druckverlust- und Durchflussberechnungen (Dichte, Realgasfaktor, Isentropenexponent) sowie bei Verdichter- und Regelstreckenauslegungen. Wer Erdgas-Stoffwerte berechnen will, erhält damit konsistente Eingangsdaten für die nachgelagerten Wärmeübertragungs- und Strömungsmodule.
So läuft die Berechnung ab
- Gaszusammensetzung wählen: Es wird entweder eine der hinterlegten Standardqualitäten Erdgas L oder Erdgas H gewählt oder die Zusammensetzung aus Methan, Ethan, Propan, Butan, Stickstoff und Kohlendioxid frei eingegeben. Daraus ergeben sich Molmasse und spezifische Gaskonstante des Gemischs.
- Zustandspunkte festlegen: Für bis zu zwei Zustände – typischerweise Ein- und Austritt – werden Druck und Temperatur vorgegeben. Alle Stoffwerte werden für beide Punkte parallel berechnet, sodass sich Mittelwerte für die Apparateauslegung direkt ablesen lassen.
- Realgasverhalten bestimmen: Das Modul ermittelt den Realgasfaktor der Mischung beim jeweiligen Zustand. Er korrigiert die Dichte gegenüber dem idealen Gasgesetz und geht in Enthalpie und Isentropenexponent ein – bei höheren Drücken ist diese Korrektur für Erdgas nicht mehr vernachlässigbar.
- Kalorische und Transportgrößen berechnen: Spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, dynamische und kinematische Viskosität werden als Mischungswerte bestimmt; daraus folgen die abgeleiteten Kennzahlen Prandtl-Zahl und Temperaturleitfähigkeit sowie der thermische Ausdehnungskoeffizient.
- Ergebnisse an Folgeberechnungen übergeben: Norm-Dichte, Enthalpiedifferenz und Transportgrößen stehen für Leistungsbilanzen, Wärmeübergangs- und Druckverlustberechnungen zur Verfügung und können in verknüpften Modulen weiterverwendet werden.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Druck | p | – |
| Temperatur | ϑ | – |
| Dichte | ρ | – |
| Spezifische Wärmekapazität | cp | – |
| Dynamische Viskosität | η | – |
| Kinematische Viskosität | ν | – |
| Wärmeleitfähigkeit | λ | – |
| Prandtl-Zahl | Pr | – |
| Temperaturleitfähigkeit | a | – |
| Druck | p | – |
| Temperatur | ϑ | – |
| Dichte | ρ | – |
| Spezifische Wärmekapazität | cp | – |
| Dynamische Viskosität | η | – |
| Kinematische Viskosität | ν | – |
| Wärmeleitfähigkeit | λ | – |
| Prandtl-Zahl | Pr | – |
| Temperaturleitfähigkeit | a | – |
| Realgasfaktor | Z | – |
| Realgasfaktor | Z | – |
| Therm. Ausdehnungskoeffizient | β | – |
| Therm. Ausdehnungskoeffizient | β | – |
| Spezifische Wärmekapazität | cv | – |
| Spezifische Wärmekapazität | cv | – |
Berechnungsoptionen
Variable 86
Erdgas (freie Eingabe der Konzentrationen) · 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
Gelöstes Beispiel
Für ein Erdgas H mit gegebener Zusammensetzung sollen Molmasse, spezifische Gaskonstante und Norm-Dichte (0 °C, 1,01325 bar) bestimmt werden – die Basisgrößen, aus denen das Modul alle weiteren Stoffwerte ableitet.
Gegebene Werte
| Methan CH4 (Molanteil) | 93,0 % |
| Ethan C2H6 | 3,0 % |
| Propan C3H8 | 1,3 % |
| Butan C4H10 | 0,6 % |
| Stickstoff N2 | 1,0 % |
| Kohlendioxid CO2 | 1,1 % |
| Normzustand | 0 °C; 1,01325 bar |
Lösungsweg
Molmasse des Gemischs
Die Molmasse folgt als molanteilgewichtetes Mittel der Komponenten-Molmassen (CH4: 16,043; C2H6: 30,069; C3H8: 44,096; C4H10: 58,122; N2: 28,014; CO2: 44,010 kg/kmol):
M = 0,93 · 16,043 + 0,03 · 30,069 + 0,013 · 44,096 + 0,006 · 58,122 + 0,010 · 28,014 + 0,011 · 44,010
M = 14,920 + 0,902 + 0,573 + 0,349 + 0,280 + 0,484 = 17,51 kg/kmol
Spezifische Gaskonstante
Mit der universellen Gaskonstante R = 8 314,462 J/(kmol·K):
Rs = R / M = 8 314,462 / 17,508 = 474,9 J/(kg·K)
Norm-Dichte
Beim Normzustand (Tn = 273,15 K; pn = 101 325 Pa) ist der Realgasfaktor von Erdgas nahezu 1, sodass die ideale Gasgleichung eine sehr gute Näherung liefert:
ρn = pn / (Rs · Tn) = 101 325 / (474,9 · 273,15) = 0,781 kg/m³
Das liegt im typischen Bereich für H-Gas (Norm-Dichte ca. 0,78–0,84 kg/m³).
Ergebnis
| Molmasse M | 17,51 kg/kmol |
| Spezifische Gaskonstante Rs | 474,9 J/(kg·K) |
| Norm-Dichte ρn | 0,781 kg/m³ |
Alle Werte sind beispielhaft. Maßgeblich sind das jeweils gültige Regelwerk und die projektspezifischen Randbedingungen.
Häufige Fragen
Worin unterscheiden sich Erdgas L und Erdgas H?
H-Gas (high calorific) hat einen hohen Methananteil und nur wenig Inertgas, L-Gas (low calorific) enthält deutlich mehr Stickstoff und teils Kohlendioxid, was Brennwert und Dichte spürbar verändert. Für die Apparateauslegung wirkt sich das vor allem auf Molmasse, Gaskonstante, Dichte und Wärmekapazität aus. Wenn die tatsächliche Netzgas-Analyse vorliegt, sollte sie über die freie Eingabe der Komponentenanteile verwendet werden statt der Standardqualitäten.
Wann muss der Realgasfaktor berücksichtigt werden?
Bei Atmosphärendruck weicht Erdgas nur um wenige Promille vom idealen Gas ab. Mit steigendem Druck sinkt der Realgasfaktor jedoch deutlich unter 1 – bei typischen Transportnetzdrücken von 40 bis 80 bar liegt er je nach Temperatur und Zusammensetzung im Bereich von etwa 0,85 bis 0,95. Dichte, Volumenstromumrechnung und Enthalpie werden dann bei idealer Rechnung erheblich falsch; für Druckverlust- und Verdichterberechnungen ist die Realgaskorrektur daher ab moderaten Drücken zwingend.
Wozu dient die Norm-Dichte bei 0 °C und 1,01325 bar?
Gasmengen werden in der Versorgungstechnik fast immer als Normvolumenstrom in Nm³/h angegeben und abgerechnet. Die Norm-Dichte verknüpft diesen Normvolumenstrom mit dem Massenstrom und über den Betriebszustand mit dem tatsächlichen Betriebsvolumenstrom, der für Strömungsgeschwindigkeit und Druckverlust maßgebend ist. Zu beachten ist, dass es neben dem physikalischen Normzustand (0 °C) auch abweichende Referenzzustände (z. B. 15 °C) gibt – die Bezugsbasis muss zur Mengendefinition des Projekts passen.
Kann das Modul auch für Biogas oder andere Gasgemische verwendet werden?
Die freie Komponenteneingabe deckt Methan, Ethan, Propan, Butan, Stickstoff und Kohlendioxid ab. Aufbereitetes Biomethan lässt sich damit gut abbilden. Rohbiogas mit hohen CO2-Anteilen liegt formal im Eingabebereich, enthält aber häufig zusätzliche Komponenten wie Wasserdampf oder Schwefelwasserstoff, die das Modul nicht erfasst; für solche Gase sind die Ergebnisse nur als Näherung zu verwenden. Wasserstoffbeimischungen sind nicht vorgesehen.