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11. August 2022: Von Horst Metzig an Chris _____ Bewertung: +2.00 [2]

Gase erwärmen sich beim Verdichten. Das ist bei dem Wetter das gleiche. Wenn Luft aufsteigt, dann kühlt sich diese ab, 1 Grad Celsius pro 100 Meter, oder erwärmt sich, wenn diese fällt.

Wenn sich das Überfüllrohr abkühlt während dem Überströmvorgang von der vollen Druckgasflasche zur leeren, dann ist das ein Anzeichen, dass sich die Gase im Überfüllrohr entspannen.

Die Druckgasflasche, welche Gas abgibt, kühlt auch ab, die Druckgasflasche, welche gefüllt wird, erwärmt sich.

Die Tatsache, dass sich das Überfüllrohr abkühlt, ist der Tatsache geschuldet, die Spender Druckgasflasche und der Überfüllroght bilden eine Einheit, die Empfänger Druckgasflasche erwärmt sich im gleichen Verhältnis, wie sich der Überfüllrohr und die Spenderflasche entspannen.

Die Gaseverflüssigung funktioniert nach dem gleichen Prinzip, in einen Kolben wird Luft auf 300 bar verdichtet, abgekühlt im verdichteten Zustand, danach in einem Bruchteil von Sekunde entspannt, dabei fällt die Temperatur der Luft so stark, dass sich Luft mit allen dazugehörigen Gaseanteile verflüssigt. Danach wird wie in einen Distelliergerät langsam erwärmt, und entsprechend der Vergasungstemperaturen der einzelnen Gase wieder gasförmig.

Bei Sauerstoff muss man deshalb aufpassen, weil zur Entstehung eines Feuers gehören drei Bestandteile zusammen, Temperatur, Brandgut und Sauerstoff. In einer Kupferleitung ist das dann der Fall, wenn der adiabatische Verdichtungsstoss über einen gewissen Verhältnis liegt, das ist 1:6. Das muss man deshalb wissen, wenn von einer 200 bar O² Druckgasflasche mit einen Rohrbogen umgefüllt werden soll. 200 bar / 6 = 33,333 bar. Wenn die Empfängertflasche noch 50 bar hat, dürfte die adiabatische Erwärmung nicht zum Brand führen. Kritisch wird das im Überfüllrohr, wenn die Innendurchmesser zu gross sind. Dieser hat 1 bar, somit kann es im ungünstigsten Fall einen Brand im Überfüllrohr geben. Auch soll die Zeitdauer des Überfüllens lange sein, damit die adiabatische Verdichtung von Sauerstoff nicht zum Brand in der Empfängerflasche führt. Daher verwende ich nach telefonischer Beratung bei der BAM ( Bundesamt für Materialptüfung in Berlin ) dünne Kupferrohre mit etwa 1 Meter Länge, Innendurchmesser 1 mm, Aussendurchmesser 3 mm. Damit ist eine Bremswirkung bei dem Überfüllen garantiert, die adiabatische Verdichtung in der Spenderflasche verzögert sich. Dazu sollte man die Empfängerflasche auch in kaltes Wasser stellen.

Ich habe zuhause nach Befüllen der Empfängerflasche diese in das Gefrierfach bei minus 20 Grad reingelegt, danach konnte ich nochmals weiter auffüllen, um eine Erhöhung von etwa 30 bar zu bekommen.

Ich habe mir einen Handkompressor zum Verdichten von Gase bis 240 gebaut. Allerdings habe ich wegen adiabatischer Brandgefahr kein Sauerstoff damit verdichtet, auch wenn ich alle von der BAM geprüfte Materialien verwendet hatte. Der Handkompressor wird anstelle des Überfüllrohrbogen zwischen Spenderflasche und Empfängerflasche eingesetzt. Im Regelfall ist die Spenderflasche nicht leer, sondern hat noch 50 bar, oder 100 bar. Mit dem Handkompressor kann ich von 100 bar Spenderflasche auf 220 bar Empfängerflasche hochdrücken. Hier entstehen bei 220 bar im Verdichtungskolben etwa 1000 kg Druckkräfte, die ich mit einer Hebelwirkung und Körpergewicht entgegen setze. Das funktioniert.




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Handk1.jpg



11. August 2022: Von Chris _____ an Horst Metzig
Beim Umfüllen (UM-Füllen) wird das umgefüllte Gas nicht von Raumtemperatur und Atmosphärendruck adiabatisch verdichtet. Im Gegenteil, es dehnt sich aus, denn es geht vom hohen Druck der Geber-Flasche in den mittelhohen Druck des Umfüllbogens und von dort in den niedrigen Druck der Empfängerflasche. Wäre das Druckgefälle nicht in dieser Richtung vorhanden, würde das Gas nicht strömen. Beim Entspannen kühlt es sich adiabatisch ab. Das bereits in der Empfängerflasche befindliche Gas wird adiabatisch verdichtet, mischt sich dabei aber mit dem kühlen, hinzukommenden Gas. Und weil der Umfüllbogen kalt wird, nimmt er Wärme aus der Umgebung auf, die zum Teil in der Empfängerflasche landet. Nach meiner Erfahrung erwärmt sich die Empfängerflasche beim typischen Umfüllvorgang also etwas, aber nicht in bedenklicher Weise. Und der Umfüllbogen wird kalt, nicht warm.
11. August 2022: Von Chris _____ an Chris _____
Ich möchte noch anfügen, der Erhalt eine Mietflasche von Linde, die Beschaffung des Umfüllbogens und der Umfüllvorgang selbst sind sehr, sehr einfach. Kein Hexenwerk, anders als es hier im Thread so anklingt. Ich habe die Teile seinerzeit mit Tipps aus diesem Forum beschaffen können. Nichts musste ich selbst dafür bauen oder irgendwie kreativ werden.

Horsts Idee mit dem Gefrierfach sollte nochmal helfen, Geld zu sparen, weil man dadurch noch mehr Befüllvorgänge mit einer Füllung der Mietflasche hinkriegt. Man sollte nur beachten, den Nenndruck der kleinen, befüllten Flasche nicht zu überschreiten. Also bei minus 30 Grad mit reduziertem Druck befüllen, um bei Raumtemperatur wieder den Nenndruck zu erhalten.
11. August 2022: Von Horst Metzig an Chris _____

Wenn ich aber mit Sauerstoff in 12 000 Meter fliege, muss ich notfalls mit minus 40 Grad Umgebungstemperatur rechnen. Nicht im Motorflugzeug, aber im motorlosen Segelflugzeug. Dann sinkt der Flascheninnendruck wieder gewaltig.

Hier im Forum schreiben fast nur Motorflieger, teilweise mit Flugerfahrungen in Jet wie Cessna Citation.Da sind Welten zum motorlosen Segelflugzeug. Nur, wenn Wellenaufwinde vorhanden sind, fliegen motorlose Segelflugzeuge 15000 Meter oder höher, je nach Aufwindfelder. Und dann bekomme ich im Konstruieren von Systeme Bedenken, weil Segelflugzeuge möglichst klein und aerodynamisch geformt sind, dicke Piloten müssen sich wie eine Sardine reinpressen.Wie soll ich da die Lebenserhaltungssysteme noch einbauen können?

Druckanzug, alles schön und gut, aber bei dem Segelflugstart sind unter Umstände Tropentemperaturen, in 14 000 Meter Höhe minus 40 Grad, der Druckanzug schützt mich vor dem Unterdruck in diesen Höhen, aber wie sieht es um das Mikroklima am Anzug aus? So ein Anzug muss klimatisiert sein, um einen 10 stündigen Segelflug durchzuhalten.

Ich habe mal bei der Bundeswehr als Proband an einer Studie teilgenommen, die Flugzeugfirma Dornier hatte ein gewisses Interesse an meine Bastelleidenschaft gehabt. Ich bin notfallmedizinisch verkabelt, Körperkerntemperatur wurde gemessen, Wasserverlust nach Beendigung des Vorgang, ein Team aus Fliegerärzte und Psychologen überwachen mich als Proband, es wurden auch psychologische Fragen während des Vorgang gestellt. So stelle ich mir Grundlagenforschung in Reinstform vor. Und das bei der Bundeswehr, eine tolle Truppe.

Als ich mit mein Auto zur Versuchseinrichtung vorgefahren bin, wurde ich vom Projektoffizier empfangen. Er meine, er glaube nicht, dass mit diesen Anzug zwei Funktionen vereinbar sind, zum einen Innenventillierung ( feuchtes Mikroklima austauschen ) und anti G Funktion, also wenn im Flugzeug , nicht Segelflugzeug, die 9 fache + Erdbeschleunigung in Fall eines Luftkampf auftritt, würde der aufblasbare Mechanismus zum hochdrücken des Blut aus den Beinen zum Kopf, zusammen mit der Innenventillierung nicht funktionieren. Dieser Projektleiter war in Personalunion Fliegerarzt und Maschinenbau Diplomingenieur.

Des nachts, um 0:30 im Cassino der Kaserne sagten mir die Piloten dieser Kampfflugzeuge, ihre Flugzeuge sind so sicher, ein Notausschuss über der Nordsee ist sehr unwarscheinlich. Anmerkung: Das waren Friedenszeiten, Russland im Zerfall.

Der Gedanke an ein Notausschuss aus Luftkampf in 14 000 Meter muss aber immer einkalkuliert werden. Dort, wo der Kampfauftrag eben hinführt, wohin, das weis keiner im Voraus,leider.

Nun, alle diese persönlich gewonnene Erkenntnisse in ein motorloses Segelflugzeug einbauen, das ist eine konstruktive Welt für sich alleine. Vielleicht muss man Autist sein, sich dem zu stellen? Weit weg vom normalen Denken.




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Klimakammer-Furstenfeldbruck-JEPG.jpg



12. August 2022: Von Chris _____ an Horst Metzig
Horst, irgendwas passt da nicht zusammen, bei deinem langen, dünnen Kupferrohr zum Umfüllen ist der Vorgang nicht mehr annähernd adiabatisch (das heißt nämlich "ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung"). Das erklärt vielleicht diese bedenkliche Erwärmung, bei der du schon an Brandgefahr denkst. Versuchs mit einem kurzen dicken Umfüllbogen (ich habe meinen über ebay gekauft, https://www.ebay.de/itm/Umfullbogen-Flaschen-Umfullbogen-fur-Sauerstoff/122067713039?hash=item1c6bcd7c0f:g:CcAAAOSwTxJb6tKD ).
12. August 2022: Von F. S. an Horst Metzig Bewertung: +3.00 [3]

dünne Kupferrohre mit etwa 1 Meter Länge, Innendurchmesser 1 mm, Aussendurchmesser 3 mm.

Hier liegt der Fehler!

Am Ende ist es doch ganz einfach: Wenn Du Gas mit einem Druck von beispielsweise 200bar hast, dann irgendwas damit machst und es dann wieder auf 200bar verdichtest, hat das Gas danach exakt die gleiche Temperatur, wie davor - so lange der Vorgang adiabatisch, also ohne Energieaustausch mit der Umgebung, abläuft.
Die Empfängerflasche kann unter diesen Bedingungen nicht wärmer werden, als die Spenderflasche.

Anders sieht es (nur) aus, wenn der Vrogang nicht mehr adiabiatisch ist, sondern Du von aussen dem Gas Energie zuführst oder ihm Energie entziehst.

Und genau das passiert bei Deiner Konstruktion: Das 200bar Gas aus der Spenderflasche wird expandiert und kühlt sich dadurch signifikant ab. Durch die lange Strecke im dünnen Kupferrohr wird es nun aber wieder annähernd auf Umgebungstemperatur erwärmt, ihm also Energie zugeführt. Beim nun neuerlichen komprimieren in der Empfängerflasche wird es deswegen sehr warm.

Wenn Du das Kupferrohr isolierst und/oder ein viel großvolumigeres Rohr nimmst, dann hast Du kein Temperaturproblem.

12. August 2022: Von Udo R. an Markus S. Bewertung: +2.00 [2]

Mit Baumarkt Sauerstoff wäre ich trotzdem vorsichtig. Der könnte auch verunreinigt sein.

Woher kommt diese Befürchtung? Das Thema wird ja immer wieder neu hochgekaut. Alle Sauerstoffe werden im Linde-Prozess aus flüssigem Stoff befüllt, das ist exakt der gleiche Stoff.

Im Übrigen sind die technischen Anforderungen für Schweißer-Sauerstoff und für die Verwendung im Labor hinsichtlich Reinheit und "möglichen Verunreinigungen" weit höher als im Falle der medizinischen Verwendung. Der Mensch atmet eine Menge Gase ein und aus ohne dass er umfällt.

12. August 2022: Von Horst Metzig an F. S.

Ich habe Sauerstoff von 50 Liter Flasche auf 2 Liter Flasche oft umgefüllt. Dabei wurde die Flasche, welche gefüllt werden soll, immer sehr warm.

Die Flaschenventile der Druckgasflaschen haben alle kein Dosierventil. Das bedeutet, bei einer 1/2 Umdrehung ist voll offen.

Ein Dosierventil vorgeschraubt ist besser. Mit einen Dosierventil muss ich 10 Umdrehungen machen, um vollen Durchfluss zu bekommen.

Diese Dosierventile sollten für den Druck 200 bar oder 300 bar konstruktiv ausgelegt sein.

Anstelle eines Dosierventil kann man auch eine Kupferrohrleitung mit Bohrung 1 mm und einen Meter Länge nehmen, auch damit lässt sich eine fest eingestellte Durchflussdosierug erreichen.

Bei dem Umfüllen darauf achten, dass die Flasche, welche befüllt werden soll, nicht warm wird, weil dann im erkalteten Zustand weniger Druck drin ist. Allein deswegen sollte der Umfüllvorgang 2 Stunden dauern.

Hier eine europäische Empfehlung im Umgang mit reinen Sauerstoff: https://www.eiga.eu/uploads/documents/DOC013.pdf



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Swagelok-Dosierventil-JEPG.jpg

13. August 2022: Von Chris _____ an Horst Metzig Bewertung: +0.33 [2]

"Ich habe Sauerstoff von 50 Liter Flasche auf 2 Liter Flasche oft umgefüllt. Dabei wurde die Flasche, welche gefüllt werden soll, immer sehr warm."

Horst, bei einem adiabatischen Umfüllprozess liegt eine Entspannung, nicht eine Kompression, von Gas vor. Da gibt es keine Erwärmung der Empfängerflasche (besser: keine Erwärmung durch das zuströmende Gas, allerdings gibt es eine durch die Kompression des vorhandenen Restgases in der Empfängerflasche - korrigiert). Deine starke Erwärmung hat NICHTS mit dem Umfülltempo oder einem fehlenden Dosierventil zu tun, sondern mit dem langen, dünnen Rohr, wie oben beschrieben, welcher beim Umfüllen Wärme aufnimmt und in die Empfängerflasche tut.

Und ich sag's nochmal, für ggf. Neulinge, die das hier lesen: das ist alles kein Hexenwerk, man braucht weder Horsts Tabellen noch Eigenkonstruktionen noch irgendwelche Ämter oder Normen. Einfach handelsüblichen Umfüllbogen an beide Flaschen anschrauben, Ventil der Empfängerflasche voll auf, das der Geberflasche leicht öffnen, bis die Empfängerflasche ihren Maximaldruck wieder hat, und dann alles wieder zu und auseinander.

Das Komplizierteste dabei sind noch die Gewindeadapter zwischen EU- und US-Gewinden. Aber auch die gibts leicht zu finden im Netz.

13. August 2022: Von Frank BoegneRomeo an Chris _____
Richtig, kein Hexenwerk mit der Befüllung und in Summe eine super Sache!
13. August 2022: Von Justus SJ an Chris _____
Also, bei uns werden die Flaschen im Flugzeug auch warm beim Befüllen - ohne langes dünnes Kupferrohr. Da wird etwas hart verdichtet in die Oxygen Cylinder gedrückt, ist doch klar dass es dann warm werden muss? Die befüllende Flasche wird dann umgekehrt immer etwas kühler.
13. August 2022: Von Chris _____ an Justus SJ
Beitrag vom Autor gelöscht
14. August 2022: Von Chris _____ an Justus SJ Bewertung: +1.33 [3]

Nachdem ich gestern schon was dazu geschrieben habe, hab ich heute nochmal neu überlegt. Es ist am Ende doch nicht sooo kompliziert, und ich will das hier vorrechnen. Gerne nachrechnen!

Zunächst zum Hintergrund zur adiabatischen Expansion/Kompression von idealen zweiatomigen Gasen.

Es gelten
(1) die ideale Gasgleichung, pV = NkT (N=Anzahl Moleküle, k=Boltzmannkonstante, T=absolute Temperatur),
(2) die innere Energie eines idealen zweiatomigen Gases ist U = 5/2 NkT.
(3) für _adiabatische_ Prozesse gilt der Hauptsatz der Thermodynamik in der Form dU = -pdV.

Aus (2) folgt für eine gegebene Gasmenge dU = 5/2 Nk dT, setzt man das gleich mit (3) und nutzt aus (1) Nk=pV/T, so ergibt sich für die adiabatische Expansion/Kompression dT/T = -2/5 dV/V. Integration und Nutzung von (1) ergibt hieraus die Beziehungen
(4) T V^(2/5) = const bzw. V T^(5/2) = const.
(5) p V^(7/5) = const bzw. V p^(5/7) = const.

und durch Kombination von (4) und (5) die Beziehung, die wir weiter unten brauchen:
(6) T p^(-2/7) = const bzw. p T^(-7/2) = const.

Die V-p-Beziehung aus (5) wird "Adiabatenlinie" genannt, der Exponent 7/5 der "Adiabatenkoeffizient".

Jetzt formulieren wir die konkrete Umfüllaufgabe:

Nehmen wir an, am Anfang befinden sich im Volumen V der Empfängerflasche N Sauerstoffmoleküle mit Druck p1 und (absoluter) Temperatur T.

In der Geberflasche befindet sich Sauerstoff bei Druck p0 und ebenfalls Temperatur T. Die Geberflasche sei unendlich groß, so dass sich ihr Druck und Temperatur beim Umfüllen nicht ändern.

Der Zieldruck des Befüllens sei p2, nach dem Befüllen befinden sich also N' Sauerstoffmoleküle mit Druck p2 und Temperatur T' im gleichen Volumen V der Empfängerflasche.

Die Empfängerflasche hat also vor dem Befüllen einen "Anfangs-Befüllungsgrad" von x=p1/p2<1, und natürlich gilt p0>p2>p1, sonst klappt das Umfüllen nicht. Das Verhältnis y=p0/p2>1 bezeichne ich mal als "Befüllungs-Überdruck" der Geberflasche.

Die Frage ist: ist T' kleiner oder größer T je nach Anfangs-Befüllungsgrad x und Befüllungs-Überdruck y.

Es gilt nach (1) vor dem Befüllen N = p1 V / kT und nach dem Befüllen N' = p2 V / kT', es folgt für das Verhältnis der Molekülzahl in der Flasche (dieses brauchen wir gleich nochmal):

(7) N/N' = (p1 T') / (p2 T) = x T'/T.

Nun passieren beim Umfüllen folgende drei Dinge:

(i) Die überströmende Gasmenge N'-N entspannt sich und kühlt dabei nach (6) ab auf T y^(-2/7) < T, so dass in der Empfängerflasche ein kühleres Gas hinzukommt.

(ii) Die bereits vorhandene Gasmenge N in der Empfängerflasche wird komprimiert und erwärmt sich nach (6) dabei auf T x^(-2/7) > T.

(iii) Thermalisierung: die beiden Mengen N und (N'-N) mischen sich und nehmen dabei (wegen der Energieerhaltung) als Temperatur das gewichtete Mittel ein:

(8) N' T' = N T x^(-2/7) + (N'-N) T y^(-2/7)

Dividieren durch N' T

T'/T = N/N' x^(-2/7) + y^(-2/7) - N/N' y^(-2/7),

Nutzung von (7)

T'/T = T'/T x^(5/7) + y^(-2/7) - T'/T x y^(-2/7),

und Auflösen nach T'/T ergibt das Ergebnis

(9) T'/T = y^(-2/7) / ( 1 - x^(5/7) + x y^(-2/7) )

Die Frage, ob die Flasche sich beim Befüllen erwärmt oder abkühlt, ist gleichbedeutend damit, ob die rechte Seite von (9) größer oder kleiner 1 ist. Das hängt offenbar nur von den beiden Parametern x ("Anfangs-Befüllungsgrad") und y ("Befüllungs-Überdruck") ab - nochmal zur Erinnerung, wir nehmen hier an, dass der Umfüllbogen perfekt isoliert ist (in der Realität würde von hier Wärme zuströmen) und die Geberflasche unendlich groß (in der Realität kühlt diese sich ab und auch ihr Druck nimmt ab, was die Rechnung verkompliziert).

Wann ist die rechte Seite größer 1 (also Erwärmung der Empfängerflasche)? Hierfür muss gelten

y^(-2/7) > 1 - x^(5/7) + x y^(-2/7)

bzw., wenn man nach y^(-2/7) auflöst:

(10) y^(-2/7) > (1 - x^(5/7) ) / (1-x)

Ist die Empfängerflasche anfangs leer (x=0), dann ist (10) nie erfüllt, da y>1 und deshalb y^(-2/7)<1. Die Empfängerflasche kühlt also ab.

Ist die Empfängerflasche teilbefüllt, aber der Befüllungs-Überdruck sehr sehr groß y>>1, dann ebenso: Die Empfängerflasche kühlt ab. Ab etwa y=3 gibt es keine Erwärmung, egal wie halbvoll die Empfängerflasche war.

Im Anhang eine Tabelle für die Endtemperatur T' in °C in Abhängigkeit von x und y für den Fall der Anfangstemperatur T=20°C.

Die deutlichste Erwärmung ergibt sich, wenn die Flasche vor dem Befüllen noch etwa halbvoll ist (x=0,5) und die Geberflasche weniger als den doppelten Zieldruck (y<2) hat. Hat die Geberflasche mehr als das, dann liegt die Erwärmung bereits unter 10°C.

Eine "Brandgefahr" ist also kein Thema. Aber wichtig: kurzen, dicken Umfüllbogen verwenden und nicht langsam befüllen, damit der Bogen nicht viel Wärme aus der Umgebung aufnehmen kann.



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14. August 2022: Von Justus SJ an Chris _____ Bewertung: +6.00 [6]

Wow. Viel Text.

Keine Ahnung was du da rechnest - du bist herzlich eingeladen nächste Woche vorbeizukommen und ich führe dir das vor.

Bei einer leeren Flasche ist der Effekt am stärksten.

Insgesamt sind die Oxygen System Hersteller wohl auch so schlau geworden, schreiben sie doch oft in die Manuals

*Warning*

Excessive fill rates create heat buildup in the high pressure
parts of the System, especially the bottle. Excessive heat
buildup will result in damage to the bottle, and may lead to
fire. Care must be taken during refilling of the Oxygen
System.

oder

CAUTION: FILL CYLINDER AT A SLOW RATE. IF CYLINDER IS FILLED TOO
RAPIDLY EXCESSIVE HEAT WILL DEVELOP.

Bei einigen Flugzeugen steht sogar ein max. psi increase/minute am filler port.

14. August 2022: Von Chris _____ an Justus SJ Bewertung: +0.33 [2]

Bei einer leeren Flasche kommt der Effekt komplett vom Umfüllrohr, denn das Gas der Geberflasche kühlt sich beim Entspannen ab, und es gibt ja (fast) kein Gas in der Flasche, welches komprimiert wird.

Dass Gas sich beim Entspannen abkühlt, ist ebenfalls leicht zu demonstrieren. Ich bezweifle deshalb, dass da der Effekt am stärksten ist - es sei denn, das Umfüllrohr ist lang und dünn und aus Kupfer :-)

Konkretes Beispiel: wenn man eine MH-Flasche von halbvoll (75 bar) auf voll (150 bar) füllt und dabei eine Linde-Flasche mit 200bar nimmt, dann ist x=0,5 und y=1,3. Ergebnis siehe Tabelle oben, wobei die Wärmezuleitung vom Umfüllbogen noch on top kommt. Diese Erwärmung ist natürlich bemerkbar.

Allerdings ist diese Erwärmung überhaupt nicht gefährlich! - denn der Maximaldruck wird ja nicht überschritten, und 50°C wird die Flasche ja wohl aushalten. Die Konsequenz ist einfach, dass nach Abkühlen der Druck sinkt und deshalb die Flasche wiederum "nicht voll" erscheint, also muss man da nochmal nachfüllen, um sie wirklich voll zu bekommen.

Die Notwendigkeit der "max psi/min increase" verstehe ich so, dass man denn nicht zweimal befüllen muss, weil die Flasche schon während des Befüllens wieder kühlen kann.

Jedenfalls entsteht bei einem _adiabatischen_ Prozess sicher nicht unterschiedlich viel Wärme, je nachdem wie schnell der abläuft.

PS. Der "viele Text" mag den ein oder anderen interessieren. Hier im Forum wurde ja schon oft über Thermodynamik geschrieben.

14. August 2022: Von Malte Höltken an Chris _____ Bewertung: +9.00 [9]

Wenn eine theoretische Überlegung in der Praxis nicht beobachtet werden kann - ist dann die Theorie falsch oder die Praxis?

14. August 2022: Von Horst Metzig an Malte Höltken

Ich ziehe die Praxis vor.

Man nehme sich einen Taucherarzt, eine Druckkammer, und mache Versuche. Zur Not habe ich einen Taucherarzt

Das gleiche gilt für den Fliegerarzt.

Man nehme sich einen belastungsfähigen Fliegerarzt, nehme sich eine Unterdruckkammer, und sauge die Luft bis auf 12 000 Meter ab. Dann werden wir sehen, was das Gebastel hält. Gebastel = mobiles Sauerstoff ( keislauf ) gerät.




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15. August 2022: Von Chris _____ an Malte Höltken
Welche theoretiwfhe Überlegung, die in der Praxis nicht beobachtet wird, meinst du denn Malte? Hast du den Text überhaupt gelesen?
15. August 2022: Von Chris _____ an Chris _____ Bewertung: +1.00 [1]
Ich will's nochmal ganz klar schreiben: das Konzept, dass das Gas sich aus der Geberflasche kommend erst entspannt und dann im Umfüllbogen oder in der Empfängerflasche "durch einen Stoß" wieder verdichetet wird, ist offensichtlich falsch. Wieso sollte das Gas in dem Fall überhaupt strömen? Es ist ja keine Pumpe da.

Komprimiert und dabei erwärmt wird das Restgas in der Flasche. Die Erwärmung kommt von da und vom Umfüllbogen, der ja kalt wird und daher Warme aufnimmt.

Das ist genau das, was man beobachtet, Malte.

Und @Sebastian S., wenn du sachliche Einwände hast, dann schreib sie gerne hin. Deine Bewertungspunkte tragen nicht zur Klärung bei.
15. August 2022: Von Malte Höltken an Chris _____ Bewertung: +2.00 [2]

Ja klar. Gelesen und nachgerechnet.

In Kürze (vielleicht mal in einer ruhigen Minute mehr dazu, aber eventuell willst Du ja auch nochmal schauen, ob Du eine theoretische Beschreibung findest, die tatsächlich zu den Beobachtungen passt):

Du änderst in der Gasflasche nicht nur die Temperatur, sondern auch die Stoffmengenzahl. Das totale Differenzial der inneren Energie wäre also nicht dU = 5k/2 N dT, sondern dU = 5k/2 (N dT +T dN). Üblicherweise nutzt man für Prozesse mit Stoffmengenänderung die Entropiebilanz zur Lösung, da diese Prozesse irreversibel sind (man hat zumindest die Mischungsentropie)

Du vernachlässigst die Arbeit, die notwendig ist, das Gas in die Flasche einzuschieben (auch sinnigerweise Einschubarbeit genannt). Strömungsprozesse arbeiten deshalb öfter mit der Enthalpie, um den energetischen Zustand des Fluids zu beschreiben.

Dann würde ich Dich kurz darauf hinweisen, dass Du die Entropiebilanz verletzt, wenn Du annimmst, dass sich ein Gas durch Durchströmen eines Befüllbogens in einer konstanten Umgebungstemperatur von 20°C auf 50°C aufwärmst. Überlege doch auch mal den Wärmestrom, der über ein Umfüllbogen der Umgebung entnommen werden müsste, um das Gas entsprechend zu erwärmen. Die isochore molare Wärmekapazität von zweiatomigen idealen Gasen ist Cm,V = 3R/2 und die isobare molare Wärmekapazität Cm,p = 5R/2. Dass der Vorgang nicht mehr adiabat ist, wenn Energie aus der Umgebung aufgenommen wird, versteht sich von selbst, denke ich.

15. August 2022: Von Chris _____ an Malte Höltken

In Kürze (vielleicht mal in einer ruhigen Minute mehr dazu, aber eventuell willst Du ja auch nochmal schauen, ob Du eine theoretische Beschreibung findest, die tatsächlich zu den Beobachtungen passt):

Meine Beschreibung bezieht sich und passt - wie mehrfach geschrieben - auf den _adiabatischen_ Prozess. Wenn jemand über einen Zeitraum von 2h und über eine lange dünne Leitung befüllt, ist das eher isotherm als adiabatisch. Dann sieht alles anders aus. Das sind aber einfach zwei verschiedene Situationen, es ist nicht die eine richtig und die andere falsch.

Warum habe ich den adiabatischen Prozess betrachtet? Weil ich selbst über einen kurzen, dicken Umfüllbogen innerhalb von einer Minute befülle, und weil hier die Behauptung war, dass ein schnelles Befüllen zwangsläufig mit übergroßer Erhitzung und Brandgefahr einherginge.

Ich befülle ohne Probleme mit kurzem dicken Rohr und einem tragbaren System, nicht fest eingebaut im Flieger, keine lange Leitung. Durchaus mit merklicher, aber nicht bedenklicher Erwärmung, wenn die Flasche vorher halbvoll war. Dann muss ich nach Abkühlung eben nochmal nachfüllen.

Du änderst in der Gasflasche nicht nur die Temperatur, sondern auch die Stoffmengenzahl. Das totale Differenzial der inneren Energie wäre also nicht dU = 5k/2 N dT, sondern dU = 5k/2 (N dT +T dN).

Bitte lesen was ich schreibe: Die obige Herleitung der adiabatischen Kompression bezieht sich auf die zu verdichtende Gasmenge, die vorher schon in der Flasche ist. Für die gilt U=5/2 NkT. Das Ergebnis, die Beziehung T V^(2/5) = const für die Adiabate eines zweiatomigen Gases, kann man auch in Formelsammlungen finden, ich leite es mir aber lieber selbst her, weil ich mir sowas wie "kappa=7/5" nicht merken will.

(Für die innere Energie des gesamten Flascheninhalts stimmt dU = 5k/2 (N dT +T dN), wobei du hier mit T aufpassen müsstest - dieses T wäre nämlich die Temperatur des einströmenden Gases, im adiabatischen Fall also abgekühlt durch die Expansion von der Geberflasche. Ich habe tatsächlich mit einer solchen differenziellen Betrachtung begonnen, dann ist mir aber der einfachere obige Rechenweg eingefallen. Es müssten aber beide Rechenwege zum gleichen Ergebnis führen.)

Üblicherweise nutzt man für Prozesse mit Stoffmengenänderung die Entropiebilanz zur Lösung, da diese Prozesse irreversibel sind (man hat zumindest die Mischungsentropie)

Hm. Auch dein Ansatz oben nutzt dT und nicht dS. Was meinst du also?

Für einen _adiabatischen_ Prozess nutzt man, meine ich, sinnvollerweise die Energieerhaltung (korrigiert: die Abwesenheit von Wärmeaustausch). Und die ist sowohl durch die Adiabatenbeziehung (in der Flasche und für das überströmende Gas) als auch bei der Mischung der Gase danach recht einfach sicherzustellen.

Du vernachlässigst die Arbeit, die notwendig ist, das Gas in die Flasche einzuschieben (auch sinnigerweise Einschubarbeit genannt).

Die berücksichtige ich explizit mit der Erwärmung durch die adiabatische Kompression des Restgases in der Flasche.

Strömungsprozesse arbeiten deshalb öfter mit der Enthalpie, um den energetischen Zustand des Fluids zu beschreiben.

Die Enthalpie nutzt man sinnvollerweise dann, wenn nicht das Volumen, sondern der Druck konstant (oder zumindest bekannt) ist. Hier ist genau das nicht der Fall: das Gesamtvolumen V ist fest, die Drücke ändern sich. Von daher ist die Enthalpie hier keine "handliche" Größe. Aber auch hier wieder: Man kann natürlich auch mit H statt U rechnen, das sollte nicht zu einem anderen Ergebnis führen.

Dann würde ich Dich kurz darauf hinweisen, dass Du die Entropiebilanz verletzt, wenn Du annimmst, dass sich ein Gas durch Durchströmen eines Befüllbogens in einer konstanten Umgebungstemperatur von 20°C auf 50°C aufwärmst.

Ich treffe diese Annahme nicht. Wo hätte ich das geschrieben? Ganz im Gegenteil, ich schreibe doch mehrfach, dass sich das Umfüllrohr abkühlt und deshalb Wärme von der Umgebung aufnimmt, und dass ich diesen Wärmestrom aber vernachlässige, weil ich mir die Frage nach einem adiabatischen Prozess (also Extremfall sehr kurzer Bogen, sehr schnelle Befüllung) gestellt habe.

Überlege doch auch mal den Wärmestrom, der über ein Umfüllbogen der Umgebung entnommen werden müsste, um das Gas entsprechend zu erwärmen. Die isochore molare Wärmekapazität von zweiatomigen idealen Gasen ist Cm,V = 3R/2 und die isobare molare Wärmekapazität Cm,p = 5R/2. Dass der Vorgang nicht mehr adiabat ist, wenn Energie aus der Umgebung aufgenommen wird, versteht sich von selbst, denke ich.

Das ist wie bereits gesagt, ein anderer Fall, den wir auch mal betrachten können. Im Extremfall könnten wir ja annehmen, dass Horsts langes, dünnes Rohr beim langsamen Befüllen stets die Umgebungstemperatur behält, während die Empfängerflasche ungünstigerweise dick verpackt (perfekt isoliert) im Flugzeug liegt. Dann ist die Erwärmung natürlich größer, denn das einströmende Gas hat dann die Umgebungstemperatur.

15. August 2022: Von Justus SJ an Chris _____ Bewertung: +1.00 [1]

Am besten ruft Horst alle Flugzeughersteller an und bittet sie, ihre Maintenance Manuals dementsprechend zu ändern.

"Hau schnell rein das Zeug, passt schon"

;-)

15. August 2022: Von Chris _____ an Justus SJ

Justus, das ist nicht was ich schreibe.

Im übrigen: Ich bin an einer Diskussion darüber interessiert, was beim Umfüllen wirklich passiert. Nicht darüber, wer Recht hat.

15. August 2022: Von Justus SJ an Chris _____

Mein Angebot steht..

15. August 2022: Von Chris _____ an Justus SJ

Ok, also nochmal für die, die Experimente bevorzugen:

Die unstrittige Behauptung ist, dass die Flasche beim Umfüllen warm wird und ein langsames Umfüllen der Flasche Zeit lässt, zwischendurch abzukühlen.

Die strittige Behauptung ist, dass eine höhere Umfüllgeschwindigkeit zu mehr Wärmeeintrag in die Flasche führt, und dass ein langes dünnes Umfüllrohr und nur leicht geöffnetes Ventil diesen Wärmeeintrag verkleinert. Da wende ich ein, ein langsames Umfüllen mit langem Rohr sollte zu mehr Wärmeeintrag führen, weil das Rohr selbst kalt wird, über die längere Zeit mehr Wärme aufnimmt und diese dann teilweise in der Flasche landet.

Jetzt klar?

Die strittige Frage könnten evtl. folgendermaßen testen:

1. Schnelles Befüllen einer gut thermisch isolierten, halbvollen Flasche auf ihren Nenndruck mit einem kurzen Umfüllbogen innerhalb von wenigen Sekunden. Fairerweise 10min warten, weil die thermische Isolierung nie perfekt ist.

2. Gleichmäßiges Befüllen einer baugleichen zweiten, wieder gut thermisch isolierten und halbvollen Flasche mit einem langen, dünnen Umfüllrohr über einen Zeitraum von 10min.

Welche Flasche hat am Ende die höhere Temperatur? Wie ändern sich diese Temperaturen ggf., wenn die Flaschen am Anfang komplett leer sind?


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