Kompressionswärme ist die Wärme, die entsteht, wenn ein Gas verdichtet wird. Beim Tauchen tritt sie an zwei Stellen auf: im Kompressor, der die Atemluft auf Fülldruck bringt, und in der Flasche, die gefüllt wird. Sie erklärt, warum eine frisch gefüllte Flasche heiß ist — und warum sie nach dem Abkühlen weniger anzeigt.
Warum Verdichten heiß macht
Wird ein Gas schnell zusammengedrückt, kann die dabei zugeführte Arbeit nicht rechtzeitig als Wärme abfließen; die Temperatur des Gases steigt. Fachlich heißt diese Zustandsänderung adiabatisch. Beim Füllen einer Tauchflasche ist das kein Nebeneffekt, sondern der Regelfall: Das Gas in der Flasche erwärmt sich durch adiabatische Erwärmung, sobald Druck aufgebaut wird.
Derselbe Vorgang spielt sich im Kompressor ab. Hochdruckkompressoren für Atemluft sind in der Regel drei- oder vierstufige Kolbenmaschinen, und zwischen den Stufen wird gekühlt. Das hat zwei Zwecke: Die Verdichtung wird wirkungsgradgünstiger, und das beim Abkühlen auskondensierende Wasser lässt sich abscheiden, bevor es in die Flasche gelangt.
Was die Wärme mit dem Fülldruck macht
Für den Taucher hat das eine unmittelbare Folge. Der Fülldruck einer Flasche ist auf eine Bezugstemperatur bezogen — üblich sind fünfzehn oder zwanzig Grad Celsius. Der tatsächliche Druck in der Flasche ändert sich mit der Temperatur nach den Gasgesetzen.
Eine warm gefüllte Flasche zeigt deshalb mehr an, als sie kalt enthalten wird. Wer sie heiß vom Füllgestell nimmt und zu Hause nachsieht, findet weniger vor. Das ist kein Mangel des Füllbetriebs, sondern Physik. Die Füllvorschrift zieht daraus den umgekehrten Schluss: Eine Flasche darf über ihren Fülldruck hinaus gefüllt werden, wenn die Fülltemperatur über der Bezugstemperatur liegt — begrenzt durch die zulässige Temperatur und den für diese Temperatur entwickelten Druck. Abgekühlt steht sie dann auf dem richtigen Wert.
Weil die freien Liter sich aus Druck mal Volumen ergeben, verschiebt die Temperatur also auch die Gasmenge, mit der man rechnet. Wer eine Flasche heiß abliest, überschätzt seinen Vorrat.
Die Grenzen beim Füllen
Für die zulässige Temperatur einer Tauchflasche nennt die Füllvorschrift einen gebräuchlichen Höchstwert von fünfundsechzig Grad Celsius. Bleibt die Füllung darunter, muss sie langsam genug erfolgen — in der Praxis wird häufig mit weniger als einem Bar je Sekunde gefüllt.
Manche Füllstationen stellen die Flaschen beim Füllen in ein Bad aus kaltem Wasser. Das hält die Temperatur niedrig und spart das spätere Nachfüllen, erhöht aber das Risiko innerer Korrosion, wenn Wasser an die Flasche gelangt, wo es nicht hingehört.
Überhitzung hat noch eine zweite, unangenehmere Folge. Läuft ein Kompressor zu heiß, zersetzt sich das Schmieröl, und dabei entsteht Kohlenmonoxid. Die Kohlenmonoxidvergiftung beim Tauchen hat damit eine ihrer beiden Hauptursachen genau hier — die Zwischenkühlung ist nicht nur eine Frage des Wirkungsgrads, sondern eine der Atemgasqualität.
Kompressionswärme als Zündquelle
In sauerstoffangereicherten Systemen wird aus der Wärme eine Gefahr. Steigt der Druck in einer Leitung sehr schnell an, entsteht örtlich Verdichtungswärme — und diese kann in Gegenwart eines Zündträgers wie Öl, Fett, eines organischen Stoffes oder metallischer Partikel eine Selbstentzündung auslösen, ohne dass von außen Wärme zugeführt wird. Das Nautical Institute hat einen solchen Fall nach dem schnellen Öffnen eines Absperrventils an einer Sauerstoffleitung dokumentiert.
Daraus folgen zwei Handgriffe, die an jeder Füllanlage gelten, die mit Sauerstoff oder sauerstoffreichen Gemischen arbeitet. Erstens: Hochdruckventile werden langsam geöffnet, damit erst gar keine nennenswerte Verdichtungswärme entsteht. Zweitens: Leitungen, Schläuche, Ventile, Handschuhe und Werkzeug bleiben frei von Öl, Fett und Schmutz. Das ist derselbe Gedanke, der hinter der Sauerstoffreinigung steht, und er betrifft jeden, der an einer Partialdruckmischung beteiligt ist.
Als Tauchlehrer sage ich die Sache in einem Satz: Das Handrad am Flaschenventil wird aufgedreht, nicht aufgerissen. Bei Luft ist es eine Höflichkeit gegenüber dem Automaten, bei Nitrox und Sauerstoff eine Sicherheitsregel.
Quellen
- Diving air compressor (englische Wikipedia) — mehrstufige Verdichtung und Zwischenkühlung, Erwärmung des Gases, adiabatische Erwärmung beim Füllen, Höchsttemperatur, Bezugstemperatur, übliche Füllgeschwindigkeit, Wasserbadfüllung, Kohlenmonoxid aus zersetztem Schmieröl.
- Diving cylinder (englische Wikipedia) — Bezugstemperatur, zulässige Höchsttemperatur und die Regel zum Überfüllen bei erhöhter Fülltemperatur.
- The Nautical Institute: Danger of adiabatic compression — örtliche Verdichtungswärme bei schnellem Druckanstieg, Zündträger, langsames Öffnen von Hochdruckventilen, Sauberkeit der Bauteile.
Zur Quellenlage: Die Angaben zu Bezugstemperatur, Höchsttemperatur und Überfüllen stammen in beiden enzyklopädischen Quellen aus derselben nationalen Füllvorschrift (SANS 10019); eine deutsche oder europäische Norm ist dafür nicht herangezogen. Die übliche Füllgeschwindigkeit von unter einem Bar je Sekunde steht in der enzyklopädischen Quelle ohne eigene Fundstelle. Der Bericht des Nautical Institute betrifft eine Sauerstoffanlage an Bord eines Schiffes, nicht eine Tauchbasis; die Übertragung auf die Füllanlage folgt aus dem Mechanismus, nicht aus dem Bericht.
