Was genau ist eigentlich Leckage? Ein Überblick

Definition von Leckage

Im allgemeinen Sprachgebrauch bezeichnet das Wort „Leckage“ ein Loch oder eine Porosität in einer Oberfläche, durch die eine Flüssigkeit oder ein Gas unbeabsichtigt austritt. Diese Definition ist jedoch nicht vollständig, wie die Definition in DIN EN ISO 20484, 2017 verdeutlicht. Hier ist Leckage nicht auf ein Loch oder eine Porosität beschränkt, sondern definiert als: „Ein Loch, ein poröser Bereich, ein gasdurchlässiger Bereich oder eine andere Struktur in der Wand eines Prüfobjektes, durch welche aufgrund einer Druck- oder Konzentrationsdifferenz Gas von einer Seite der Wand auf die andere gelangen kann.“

Permeation – Leckage ohne Loch

Während das Konzept eines Lochs oder einer Porosität leicht zu verstehen ist, gibt es ein komplexeres Phänomen, das ebenfalls zu Leckagen führen kann: die Permeation. Permeation ist eine Kombination aus Adsorption, Absorption, Diffusion und Desorption:

• Adsorption beschreibt die Anreicherung von gasförmigen oder flüssigen Teilchen an einer Grenzfläche zwischen zwei Phasen. Die adsorbierten Teilchen werden anschließend absorbiert.
• Absorption bedeutet, dass Moleküle in eine Flüssigkeit oder einen Feststoff eindringen und dort die Konzentration erhöhen. Im Falle einer undichten Pumpe ist dies ein Feststoff wie ein Metall- oder Polymerteil, in das die Moleküle gelangen.
• Diffusion bewirkt, dass die Konzentrationsunterschiede ausgeglichen werden. Der Konzentrationsunterschied kann durch Absorption bedingt sein. Diffusion findet in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern statt.
• Die abschließende Desorption ist das Gegenteil der Adsorption. Bei der Desorption trennen sich die Gas- oder Flüssigkeitsteilchen von der festen oder flüssigen Phase und treten in das Gas oder die Flüssigkeit ein. Bei einer Permeationsleckage erfolgt die Desorption an der der Adsorption gegenüberliegenden Wand oder Phasenseite.

Die Permeationsrate hängt unter anderem von dem zu durchdringenden Material, der Wandstärke und der Kontaktfläche ab. Maßnahmen zur Verringerung der Permeationsleckage können daher die Optimierung des verwendeten Wandmaterials, die Erhöhung der Wanddicke oder die Verringerung der Kontaktfläche sein.

Quantifizierung von Leckageraten

Der Grad der Leckage wird durch die Leckagerate ausgedrückt. Sie quantifiziert die durch Löcher, Porosität oder Permeation durch die Wand transportierte Masse. Die DIN EN ISO 20484, 2017 definiert sie als: „Der pV-Durchfluss eines bestimmten Fluids, das unter festgelegten Bedingungen durch ein Leck strömt.“ Wobei der pV-Durchfuss beschrieben wird als: „Die Rate, mit der ein Gasvolumen bei festgelegtem Druck einen gegebenen Querschnitt des Systems passiert.“ Der pV-Durchfluss des Lecks kann auch als „verlorene“ Energie pro Zeit verstanden werden, also z. B. wie lange es dauern würde, bis bei einem Behälter mit einem Volumen von 1 l ein Druckabfall von 1 mbar auftritt. Die Leckagerate hat daher die Einheit mbar l/s oder Pa m³/s.

Leckage oder keine Leckage? Manchmal eine schwierige Frage

Bei der Leckagemessung treten manchmal Phänomene auf, die die gleichen Messwerte wie eine Leckage ergeben, aber in Wirklichkeit keine Leckage darstellen. Diese Effekte werden als „virtuelle Lecks“ bezeichnet. Es handelt sich um scheinbare Lecks, die durch sorbierte oder okkludierte Gase in den Materialien des Systems verursacht werden. Sorption ist der Oberbegriff für Adsorption und Absorption. Okklusion ist der Einschluss von Gasmengen in Festkörpern oder Flüssigkeiten. So kann eine Wand oder eine Phase als vermeintliches Leck wirken, aber die Masse wird nicht tatsächlich über die Wand oder die Phasengrenze hinaus transportiert, sondern verbleibt an oder in der Wand oder Phase und wird später auf der gleichen Seite wieder freigesetzt, von der sie gekommen ist.