21.01.2025

Drucktanks: Ein Blick auf ein kleines technisches Meisterwerk


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Drucktanks: Ein Blick auf ein kleines technisches Meisterwerk

Sie finden sich im Umfeld verschiedener fossil befeuerter Heizungen, sind als Gasflaschen vielen Grill-Fans ein Begriff und auch an anderen Stellen zwischen Reiseflugzeug, Krankenhaus und Metallbaubetrieb nicht mehr wegzudenken. Dabei sind Druckbehälter jeglicher Art echte technische Meisterwerke.

Es gibt Konstruktionen, bei denen erhält man bereits dann eine Ahnung über ihre Leistungsfähigkeit, wenn man sie mit etwas Bekannterem vergleicht. So auch bei vielen Gasflaschen, etwa denjenigen, die Taucher auf dem Rücken tragen.

In einem solchen Druckbehälter herrscht bei vollem Füllstand ein Druck von 180 bis 200 Bar. Als Vergleich: In einem Autoreifen sind es 2,0 bis 2,5 Bar. Sogar in einer typischen Propangasflasche, wie sie zum Betrieb von Grills, Unkrautbrennern und Ähnlichem benutzt wird, sind es je nach Temperatur lediglich 4 bis 10 Bar.

Solche Drücke sind schon an sich eine Belastung für den gesamten Behälter. Sogar wenn sich darin nichts Brennbares befindet, kann es im Schadfall sehr gefährlich werden. Bedenkt man jedoch, dass sich in solchen Tanks mitunter auch brennbare oder gar hochexplosive Materialien befinden, wird rasch klar, dass bei der Konstruktion keine Kompromisse möglich sind.

  1. Etwas Begriffskunde zum Einstieg

Wohl gibt es bei all diesen Tank eine Gemeinsamkeit: Bei korrekter Befüllung herrscht darin ein Überdruck von wenigstens 0,5 Bar gegenüber Normaldruck (abgerundet genau 1 Bar). Jenseits davon existieren allerdings unterschiedliche Bezeichnungen:

  • Tank: Eine zwar zutreffende, aber eigentlich zu stark verallgemeinernde Bezeichnung – verallgemeinernd deshalb, weil Tanks unterschiedlichste Formen aufweisen und ebenso verschiedenste Medien aufnehmen können; darin muss nicht unbedingt ein Überdrück herrschen.
  • Druckbehälter bzw. Drucktank: Eine im Gegensatz dazu sehr treffende Bezeichnung, weil Sie einen direkten Hinweis auf den im Inneren stets vorhandenen Überdruck gibt. Dieser Begriff kann entweder für alle Druckgastanks benutzt werden oder (häufiger) nur für weitgehend ortsfest installierte Systeme – denken wir beispielsweise an die Flüssiggas-Behälter an einer Tankstelle, die auch LNG-Fahrzeuge bedient.
  • Druckgasbehälter: Ein etwas verwirrender Begriff, weshalb sich in der Praxis eher das Wort Gasflasche etabliert hat. Sprich, ein enger Verwandter des Druckbehälters, im Gegensatz zu diesem jedoch transportabel konzipiert.

Am unteren Ende dieser Begriffs-Skala, die ebenso gewissermaßen eine Größen-Skala ist, befinden sich schließlich noch die sehr kompakten Gaskartuschen (wie man sie beispielsweise von Campingkochern oder Unkrautbrennern kennt) sowie die nur handgroßen Gaskapseln, etwa für Sahnespender.

  1. Flüssig oder gasförmig? Es kommt darauf an!

Halten wir also fest: Egal wie genau, es befindet sich in diesen Behältern stets ein Medium, das den Innenraum unter einen Überdrück gegenüber der Umgebung setzt. Dabei gibt es zwei maßgebliche Unterschiede:

  • Rein bzw. weitgehend gasförmig: Im Behälter befindet sich also ein weitgehend trockenes Medium. Der Druck mag zwar enorm sein, aber dennoch nicht hoch genug, um den Inhalt ohne weitere Maßnahmen (etwa Kühlung) zu verflüssigen.
  • Flüssig oder in Flüssigkeit gelöst: Fast alle denkbaren Medien können, sofern der Druck nur hoch genug ist, vom gasförmigen in einen flüssigen Zustand überführt werden. Das heißt, in dem Fall ist beispielsweise die Gasflasche eigentlich ein Flüssigkeitsbehälter. Der Inhalt wird erst dann wieder zu einem Gas, wenn er in die Umgebung entweichen kann – sich also entspannt.

Betrachtet man die Masse aller Druckbehälter und Gasflaschen, so fällt eines auf: In der Majorität sind die Behältnisse mit Gasförmigem befüllt. Das liegt hauptsächlich daran, dass sehr viele potenzielle Medien nur durch noch höheren Druck oder gar zusätzliche Kühlung verflüssigt werden können – oder alternativ daran, dass man ganz gezielt „trockene“ Gase aus irgendeinem Grund bevorzugt.

Die große Ausnahme hiervon sind insbesondere die bekannten Flüssiggase Butan und Propan (sowie Gemische daraus), Kohlendioxid sowie das zu den sogenannten autogenen Verfahren beim Schweißen und Löten notwendige Acetylen bzw. Ethin. Letzteres wird dabei in einer Mischbatterie mit reinem Sauerstoff (ebenfalls aus einer Druckgasflasche) vermengt und verbrannt. Dadurch entsteht eine Flammtemperatur von über 3.100° C.

  1. Zwischen Thermodynamik, Geomatrie und Materialkunde: Behälter mit Wow-Effekt

Wer sehen will, was Druck anrichten kann, muss nur auf einen Silvesterböller blicken. Hier sorgt eine absichtlich feste, vielfache Umwicklung aus Papier dafür, dass eine sich durch rasend schnelle Verbrennung ausdehnende Menge geringe Schwarzpulver in einem gewaltigen Knall zerbersten kann. Ohne diese, einen Druckaufbau gestattende, Umhüllung würde das Pulver lediglich in einer kleinen Stichflamme ohne Geräuschentwicklung verbrennen.

Ebenso zeigt das Beispiel auch, warum sämtliche Druckbehälter und Gasflaschen stets nach einem recht einheitlichen Schema konstruiert werden – schlichtweg, weil durch den Druck, ungeachtet des genauen Inhalts, vergleichbare Bedingungen gegeben sind.

  1. Zumindest die innere Form der Behälter ist faktisch immer entweder eine Hohlkugel oder ein langgezogener Zylinder mit nach außen gewölbten Endkappen. Ersteres ist zwar die für hohe Drücke beste Form, letzteres hingegen ist jedoch ökonomischer zu produzieren und durch ein anderes Verhältnis aus Länge, Breite und Tiefe besser zu handhaben und platzsparender. Je nachdem, wie der Behälter genau konstruiert wurde, kann es jedoch noch äußere Bauteile geben. Etwa einen umlaufenden Metallring am Boden, der ein senkrechtes Aufstellen ermöglicht.
  2. Bei den Materialien dominieren nach wie vor Stähle und Aluminium. Im Normalfall Legierungen mittlerer Güte. Bei speziellen Gasen, die sehr rein sein müssen, kommen dagegen hochwertige Edelstähle zum Einsatz. Der wichtigste Grund dieser Materialwahl ist ein verhältnismäßig günstiger Preis bei gleichsam sehr guter Zugfestigkeit – wichtig im Angesicht der die Flasche buchstäblich dehnenden Überdrücke. Ebenfalls werden diese Materialien gewählt, weil sie (je nach genauer Legierung) langzeitflexibel sind. Heißt, ein solcher Druckbehälter kann viele Male befüllt und wieder entleert werden, kann dabei ebenso häufig gedehnt und entspannt werden, ohne dass Schäden am Material zu befürchten sind.

Seit einigen Jahren, insbesondere dort, wo Gewicht eine besondere Rolle spielt (etwa in der Luftfahrt), kommen zudem Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen zum Einsatz. Beispielsweise aus Glas- oder Kohlefaser. Doch selbst sie bestehen aus einer (dünnen) Innenschicht aus Metall, die anschließend von den eigentlichen druckaufnehmenden Fasern umhüllt wird.

Nicht weniger beeindruckend sind die typischen Herstellungsverfahren. Denn damit die Behälter den vorgesehenen Arbeitsdruck unter allen Bedingungen und Temperaturen aushalten (dabei sei abermals auf das Böller-Beispiel verwiesen), sind vor allem höchste Präzision und Wiederholgenauigkeit erforderlich.

Bei einer klassischen Metall-Gasflasche beginnt alles mit zwei runden, flachen Blechplatten. Sie werden in einem komplexen maschinellen Verfahren, genannt Tiefziehen, zu den jeweiligen Hälften des Behälters geformt. Dabei ist alles präzise vorberechnet, damit beim Prozess die Wandstärken einen Mindestwert nicht unterschreiten.

Diese Hälften werden anschließend durch automatische Schweißmaschinen miteinander verbunden. Das automatisierte Verschweißen sorgt für eine durchgehend hohe Güte der Schweißnaht und dafür, dass dieser Bereich mindestens so belastbar ist wie der Rest des Behälters. Ebenfalls werden in diesem Schritt Füße, Aufstellringe, Handgriffe und ähnliche Elemente angeschweißt. Und: Das wichtigste Kernstück in Form des Anschlussgewindes für das Absperrventil wird eingebracht.

Nachdem der Rohling zum Abbau unerwünschter Materialspannungen auf eine konstante (hohe) Temperatur gebracht wurde, ist er fast fertig. Es fehlen allerdings noch Schutzschichten. Innen können die Behälter – je nach Einsatzzweck – beispielsweise mit einem Korrosionsschutz versehen werden.

Außen dagegen kommt häufig ein Farbüberzug zum Einsatz, der bereits Hinweise auf den Inhalt gibt – selbst, wenn die Gesetze etwa bei Gasflaschen einen solchen hinweisgebenden Farbstreifen nur im Bereich der Flaschenschulter vorschreiben. Dabei gelten folgende Farbcodes:

  • Grau oder Schwarz: Industriegase
  • Rot: Entzündliche Gase
  • Gelb: Giftige bzw. ätzende Gase
  • Hellblau: Oxidierende Gase
  • Hellgrün: Inertgase (reagieren nicht mit anderen Stoffen)

Jedoch: Die Farben sollten stets nur als Ergänzung verstanden werden. Maßgeblich ist das, was hinsichtlich der Stoffkennzeichnung auf dem Flaschenaufkleber steht. Wer sich mehr für die vielen hinter den Behältern (und deren Anbauteilen) Vorgaben interessiert, dem sei ein Blick in die bundesdeutsche Druckgeräteverordnung ans Herz gelegt.

  1. Wichtige Tipps zum Umgang mit Druckbehältern – insbesondere Brenngasflaschen

Druckgastanks halten eine Menge aus. Sie sind jedoch nicht unendlich strapazierfähig. Insbesondere (aber explizit nicht ausschließlich!) wenn der Inhalt brennbar ist, sollten folgende Tipps immer beherzigt werden:

  • Nur aufrechtstehend lagern.
  • Bei Bewegung/Transport immer die Ventilschutzkappe aufsetzen.
  • Die vorgegebenen Höchstmengen für Lagerung und Transport beherzigen.
  • Niemals die Gewinde der Anschlüsse fetten oder ölen.
  • Stets das Hauptventil zuerst verschließen und dann warten, bis die Flamme erlischt bzw. kein Gas mehr austritt. Erst dann weitere Ventile verschließen.
  • Flaschen möglichst keiner direkten Sonneneinstrahlung aussetzen.

Dazu noch ein lebenswichtiger Rat für alle Heimwerker, die alte Einweg-Gasflaschen umarbeiten möchten: Es genügt nicht, das Hauptventil zu entfernen, um den Behälter restlos zu entleeren. Um wirklich sicherzugehen, muss die Flasche komplett mit Wasser gefüllt werden, bis es am Anschlussstück austritt. Erst dann wurden alle Restmengen zuverlässig verdrängt und darf beispielsweise mit Winkelschleifer oder Schweißgerät agiert werden!

 


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