Henry-Gesetz

Der britische Physiker William Henry brachte schon im 18. Jahrhundert den Beweis für den Zusammenhang von Druck, Temperatur und der Menge der gelösten Gase, der in Wärme- und Kühlsystemen von großer Bedeutung ist.

Das Henrysche Gesetz (Henrysches Absorptionsgesetz) beschreibt das Löslichkeitsverhalten von (flüchtigen) Substanzen in einer Flüssigkeit. Danach ist die Konzentration eines Gases in einer Flüssigkeit direkt proportional zum Partialdruck des entsprechenden Gases über der Flüssigkeit ist. Die Proportionalität wird durch die Henry-Konstante ausgedrückt. Die im Wassersystemen (Heizungs-, Kühl- und Solaranlagen sowie Wärmenetzen) gelösten Gase führen von ärgerlichen Geräuschen über Funktionsstörungen bis zur Zerstörung von Anlagenteilen durch Korrosion.

Stehen ein Gas und eine Flüssigkeit in Kontakt (z. B. Wasser mit Luft [Gasgemisch aus Stickstoff N₂, Sauerstoff O₂ und Kohlendioxid CO₂]), dann strebt die Natur nach einem Ausgleich. Das Gas versucht, in die Flüssigkeit einzudringen und wird dabei von den Wassermolekülen behindert. Das Wasser versucht, in die Luft zu gelangen, besitzt aber nicht genügend Energie dazu, so dass das nur in geringer Menge erfolgt. Trotzdem gibt es über jeder Wasserfläche auch gasförmiges Wasser und einen dazugehörigen Partialdruck. Gase lösen sich in Wasser, aber nicht beliebig, sondern nur in einer bestimmten Menge. Diesen Vorgang beschreibt das Henrysche Gesetz.

Die Gaskonzentration im Wasser ist immer proportional zum Druck in der Gasphase.
Steigt der Druck, steigt die Konzentration.

Henrysches Gesetz
Henrysches Absorptionsgesetz
p = k • c
p: Partialdruck des Gases [bar];
k: Henry-Konstante [l • bar / mol_Gas];
c: Konzentration des Gases in der Lösung [mol/l]

Die Löslichkeit der Gase in Wasser ist abhängig von der Temperatur, mit zunehmender Temperatur sinkt sie.
Auch der Absolutdruck hat Einfluss.

Das Verhältnis von Temperatur und Druck bestimmt die Luftmenge, die aufgelöst im Wasser vorhanden sein kann. Das Henrysche Gesetz bestimmt diese Zusammenhänge. Anhand der Kurven in dem Diagramm können die physikalischen Eigenschaften des Luftgehaltes im Wasser und dessen Freisetzung nachvollzogen werden.

Beispiel:
Bei einem konstanten absoluten Druck von 2 bar, wenn das Wasser von 20 °C auf 80 °C erwärmt wird, ist die abgeschiedene Menge Luft bei dieser Lösung 18 l pro m³ Wasser. Nach diesem Gesetz steigt die Menge der freigesetzten Luft bei steigender Temperatur und verringertem Druck.

Die entstehenden Mikroblasen haben einem Durchmesser von 1/10 Millimeter.

Strenggenommen ist das Henrysche Gesetz nur für kleine und mäßige Drücke bis ungefähr 5 bar anwendbar. Auch ist es nur bei verdünnten Lösungen (bei niedrigen Partialdrücken) gültig. Zudem darf das gelöste Teilchen nicht mit dem Lösungsmittel reagieren (z. B Kohlenstoffdioxid, welches zu Kohlensäure reagiert und dem Gleichgewicht entzogen wird).

Einfacher gesagt > Je geringer der Druck oder je höher die Temperatur,
umso kleiner ist die gelöste Gasmenge in der Flüssigkeit.
Nur die extrem leichten Gase Wasserstoff und Helium bilden eine Ausnahme.

Gase in Heizungs-, Solar- oder Kühlsystemen können unangenehme Folgen haben. Diese reichen von ärgerlichen Geräuschen über Funktionsstörungen bis zur Zerstörung von Anlagenteilen durch Korrosion. Jede Anlage enthält am Anfang Luft (Gase) durch die Füllflüssigkeit (Heizungswasser, Kühlwasser [Wasser-Frostschutz-Gemisch]). Der grösste Teil davon wird durch thermische Entgasung eliminiert und muss an geeigneten Stellen durch Entlüftungsventile entfernt werden. Abhängig vom Druck und der Temperatur wird immer eine bestimmte Gasmenge weiter vorhanden sein. Entscheidend ist, den Nachschub von Luft bzw. Gasen in die Flüssigkeit zu minimieren. Es gibt keine 100%-dichte Anlagen bzw. geschlossene Systeme, da es immer Schwachstellen (z. B. Kunststoffteile, O-Ringe, offene Be-und Entlüfter) gibt, die Luft bzw. Gase eintragen.

Deshalb ist es wichtig, darauf zu achten,

• dass regelmässig mit aufbereitetem Wasser nachgefüllt wird
• dass eine thermische Entgasung stattfindet (Kühlanlagen)
• dass nicht infolge mangelhafter Druckhaltung Luft angesaugt wird
• dass keine Bakterien im Füllwasser sind bzw. sich in der Anlage bilden, über sulfatreduzierende Bakterien Schwefelwasserstoff entstehen kann.

Grundsätzlich sollte der Grund für "Luft (Gase) in der Anlage" gefunden werden, damit die Ursachen beseitigt werden können. Luftabscheider, Schlammfänger oder andere Maßnahmen beseitigen nur die Folgen einer nichtfachgerecht gebauten bzw. falsch betriebenen Anlage.

In einem geschlossenen System ohne Luftaufnahme rosten Heizungsrohre aus Stahl an den Innenwandungen nicht. Außerdem sinkt die Löslichkeit von Sauerstoff mit steigender Erwärmung des Wassers und ist bei 111,6 °C am geringsten. Aber bei einer weiteren Erwärmung steigt das Lösungsvermögen für Sauerstoff wieder erheblich an.

Aber es gibt keine luftdichte Anlagen, auch wenn die Industrie es uns immer wieder einreden will. Alle O-Ringe (in alten Anlagen > Stopfbuchsen) und Rohrgewindeverbindungen lassen Luft in die Anlage diffundieren bzw. einsaugen, weil "Viel" immer zu "Wenig" geht. Besonders dann, wenn das Wasser nicht behandelt wurde, weil die O-Ringe hart werden und bei ungünstigen Druckverhältnissen Luft durchlassen. Dass Stopfbuchsen von Zeit zu Zeit neu gestopft werden müssen, ist heutzutage auch nicht mehr jedem bekannt. Dazu kommt, dass Kunststoffrohre und Verbundrohre nicht wirklich "luftdicht" sind. Hier diffundieren auch Bestandteile der Luft (Sauerstoff, Stickstoff) durch die Wandungen. So sind nicht nur in Wärmeerzeugungsanlagen (Warmwasserheizung, Biogasanlagen, Wärme-Kraft-Kopplung) sondern auch besonders in Kühlsystemen Korrosionsschutzmaßnahmen notwendig.

Außerdem können durch biologische, chemische und elektrochemische Vorgänge Gase entstehen, die dann als Luft wahrgenommen werden. Hier gilt es, die Ursachen zu finden und zu beseitigen.

Nur eine richtig behandelte Anlage kann auf Dauer einen sicheren und effezienten Betrieb einer Anlage gewährleisten.