Messung von Sauerstoffdiffusion

Der Sauerstoffgehalt des Wassers kann relativ einfach gemessen werden. Bei dem Messsystem Orbisphere 2713 wird der Strom gemessen, der zwischen einer Anode und einer Kathode bei konstanter Spannung fließt. Je nach dem, wieviel Sauerstoff an die Kathode gelangt, ändert sich der Strom, so dass eine Proportionalität zwischen Sauerstoff und Strom besteht. Beim Materialprüfungsamt Nordrhein-Westfalen wird eine Prüfanordnung gemäß Abb. 11.1. verwendet.

In einem geschlossenen Kreislauf, der mit einem Membranausdehnungsgefäß abgesichert ist, wird das Umlaufwasser in einem Wärmetauscher WT erwärmt und von der Umwälzpumpe P umgewälzt. Etwa vorhandener Sauerstoff wird in dem Reaktionsbehälter RB entzogen. Er besteht aus verzinktem Stahlrohr, das mit Zinkblechabschnitten gefüllt ist. Der Entzug erfolgt nach der chemischen Reaktion.

Nach dem Reaktionsbehälter beträgt der Sauerstoffgehalt < 1μg / l. Unter der Voraussetzung, dass der Sauerstoffgehalt vor dem Eintritt in das Kunststoffrohr vernachlässigbar klein ist, kann bei Kenntnis der Verweilzeit tverw die Diffusionsgeschwindigkeit vDiff bestimmt werden

• v_Diff

Die Verweilzeit tverw errechnet sich aus dem im Kunststoffrohr eingeschlossenen Wasservolumen V_Rohr und dem am Durchflussmesser D ermittelten Volumenstrom Q nach

• t_verw

Mit dem Rohrdurchmesser d, der Wanddicke s und der Rohrlänge L beträgt das Volumen des Heizrohres V_Rohr

• VRohr

Bei Angabe der Sauerstoffkonzentration C (O₂) in μg / l errechnet sich die Diffusionsgeschwindigkeit

• V_Diff

Da die Diffusionsgeschwindigkeit stark temperaturabhängig ist, müssen jeweils an Eintritt und Austritt des Kunststoffrohres die Temperaturen t₁ und t₂ gemessen werden. Die an der Sauerstoffmeßstelle SM gemessene Konzentration wird der mittleren Temperatur zwischen t1 und t₂ zugeordnet. Für den Vergleich verschiedener Werkstoffe wird zweckmäßigerweise nicht die Diffusionsgeschwindigkeit, sondern der Permeationskoeffizient herangezogen. Die Messergebnisse für verschiedene Werkstoffe sind in Tab. 11.1 dargestellt. Die große Streuung ist auf die vielen Modifikationsmöglichkeiten der einzelnen Grund werkstoffe zurückzuführen.
Die Mittelwerte sind nochmals in der nachfolgenden Graphik Abb. 11.2. dargestellt.
Als besonders interessant erweist sich ein außerordentlich großer Streubereich bei den PE-X-Rohren. Gerade hierfür bestehen aufgrund der vielen unterschiedlichen Herstellungs- und Vernetzungsverfahren unterschiedliche Materialeigenschaften und Vernetzungsgrade, die scheinbar für die große Streuung der Sauerstoffdurchlässigkeit verantwortlich sind. Aufgrund der Ergebnisse ist stets bei Verwendung von PP-Rohr, insbesondere in Verbindung mit hohen  Betriebstemperaturen, mit größerem Korrosionsrisiko zu rechnen. Sowohl aus dem Permeationskoeffizienten P als auch aus der Diffusionsgeschwindigkeit v_Diff lassen sich die eindringenden Sauerstoffmengen für jede Anlagensituation und jeden Heizrohrwerkstoff be rechnen.

• m (O₂)

Die Prüfung erfolgt an einem Rohrabschnitt von 25 m Länge, die um einen Kern mit einem Durchmesser von 5 x d gewickelt sind (d = mittlerer Außendurchmesser des Rohres). Die gewickelte Rohrlänge ist fest am Wickelkern zu fixieren. Nach der Montage folgt eine 24-stündige Relaxationszeit ohne Belastung. Danach wird das Rohrsystem einer Temperaturwechselbelastung mit einer Schaltzeit von (60 ± 30) s unterworfen, wobei im Wechsel 15 Minuten warmes Wasser von 70 °C ± 2 K und 15 Minuten kaltes Wasser von ≤ 20 °C durch das Rohr strömt bei einem Innendruck von 3 bar. Diese Temperaturwechselbelastung wird über 28 Tage aufrecht erhalten. Im Anschluss daran erfolgt die Messung  der Sauerstoffdurchlässigkeit mit Wasser bei 40 °C ± 2 K, gemessen am Einlauf und Auslauf des Rohrsystems. Die Messapparatur muss Fehlergrenzen G = 0,02 mg / (L · d) haben.