Druck, Volumenstrom, Strömungsgeschwindigkeit?
Hallo Leute,
wie genau funktioniert ein Druckminderer bzw. Drossel? Es wird doch nur der Rohrquerschnitt verkleinert, oder?
Ich habe gelesen, dass der Volumenstrom in einem Rohr immer konstat ist, d. h. wird der Querschnitt der Leitung verringert, dann fließt dasselbe Volumen in der Zeit.
Die Strömungsgeschwindigkeit nimmt bei einer Verkleinerung des Querschnitts zu, bei einer Vergrößerung nimmt diese ab.
Wie verhält sich jetzt der Druck? Gibt es eine Formel, die den Zusammenhang zwischen Druck, Volumenstrom und Strömungsgeschwindigkeit herstellt?
2 Antworten
Nun, dann versuche ich mal deine Gedankengänge etwas zu sortieren.
Ich habe gelesen, dass der Volumenstrom in einem Rohr immer konstat ist...
Das stimmmt nur bei inkompressiblen Medien wie Flüssigkeiten. Bei kompressiblen Medien wie Gasen stimmt es nicht. Für beide gilt allerdings, dass der Massenstrom überall gleich sein muss. Das gilt aber nur, solange das Rohr geschlossen ist. Tritt irgendwo eine Leckage auf, stimmts schon wieder nicht mehr.
Die Strömungsgeschwindigkeit nimmt bei einer Verkleinerung des Querschnitts zu, bei einer Vergrößerung nimmt diese ab.
Das stimmt uneingeschränkt.
Jetzt kommen wir aber zum entscheidenden Punkt. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Querschnitt zu verringern. Eine dieser speziellen Möglichkeiten ist die Drossel.
wie genau funktioniert eine Drossel?
Das Gegenteil einer Drossel wäre eine Venturidüse. Die ist so gestaltet, dass in der Verengung keine Verwirbelungen entstehen. Bei einer Drossel verursacht man aber absichtlich starke Verwirbelungen im Querschnitt, z.B. durch eine scharfe Kante. Verwirbelungen bedeuten, dass Druckenergie zunächst in kinetische Energie umgewandelt wird (hohe Strömungsgeschwindigkeit in den Wirbeln) wodurch im Medium starke innere Reibung entsteht. In dieser inneren Reibung wird die Druckenergie bzw. kinetische Energie des Mediums in Wärme (genauer gesagt in Innere Energie) umgewandelt. Je stärker die erzeugten Verwirbelungen sind, umso stärker ist der Druckverlust und umso größer ist die damit verbundene Temperaturerhöhung. Werden die Verwirbelungen zu stark, können die sogar zu Kavitation führen, sprich hinter der Drossel wird langsam aber sicher Material abgetragen. Verringert man den Rohrquerschnitt ohne Erzeugung starker Verwirbelungen, findet auch keine Drucksenkung hinterm verringerten Querschnitt statt.
wie genau funktioniert ein Druckminderer
Das ist eine Drossel mit veränderlichem Querschnitt. Hinter der Verengung wird der Druck gemessen, elektrisch oder mechanisch, und wenn dieser zu gering ist, wird der Querschnitt vergrößert. Ist der Druck zu hoch, wird der Querschnitt verringert. Eine Verringerung des Querschnitts führt zu stärkeren Verwirbelungen und damit zu einem stärkeren Druckabfall.
Gibt es eine Formel, die den Zusammenhang zwischen Druck, Volumenstrom und Strömungsgeschwindigkeit herstellt?
Ja, die Berechnung ist aber nicht so ganz einfach.
Hier findest du Formeln zur Berechnung, unten eine für ∆p. Die Formeln sind für eine Normblende angegeben, wobei eine Blende nichts anderes ist als eine besondere Form einer Drossel. Andere Drosselformen, z.B. mit einem Ringspalt, haben andere Durchflusskoeffizienten C. Diese müssen gegebenenfalls experimentell bestimmt werden und werden in Kennfeldern für bestimmte Druckminderer/Drosseln vom Hersteller mitgeliefert.
Auch wenn es schon etwas her ist, hätte ich eine Frage. Wie kann man sich das ganze genau vorstellen, dass der Druck sinkt und die Temperatur steigt? Hat das nicht wieder eine höherer mittlere Geschwindigkeit der Teilchen zur Folge und damit auch einen größeren Impuls? Aber sinkt der Druck nicht gerade weil der Impuls der Teilchen sinkt?
Ich steh auf dem Schlauch...
Wie kann man sich das ganze genau vorstellen, dass der Druck sinkt und die Temperatur steigt?
Da muss ich jetzt doch differenzieren bzw. korrifieren. Bei meinen obigen Ausführungen dachte ich vermutlich an den Joule-Thomson-Effekt z.B. für Wasserstoff oder Helium. Das trifft aber nun nicht für alle Gase zu, z.B. nicht für Luft. LKuft kühlt beim Drosseln ab, weshalb sie auch mit dem Lindeverfahren verflüssigt werden kann. Wie das genau auf der Teilchenebene abläuft, kann ich dir allerdings nicht genau sagen. Das interessiert die klassische Thermodynamik nicht.
Okay danke trotzdem für deine Antwort!
Also kann man im Prinzip einfach sagen, es wird Druckenergie in thermische umgewandelt und damit sinkt der Druck. Jetzt mal ziemlich salopp formuliert
Der Druck sinkt aufgrund des schon vorhandenen Druckgefälles zwischen Ein- und Ausgang.
Theoretisch könnte man diesen Druckunterschied für technische Arbeit bzw. Volumenänderungsarbeit nutzen. Tut man bei einer Drossel aber nicht und die nicht genutzte Arbeit gleicht sozusagen den Temperaturabfall, den es aufgrund des Druckabfalls eigentlich geben müsste aus.
Wie stark diese Kompensation ist, hängt vor allem vom Gas ab. Bei einem idealen Gas ist die Kompensation vollständig, die Temperatur bleibt konstant. Bei realen Gasen kann es eine Über- oder Unterkompensation geben.
Dazu hab ich auch nochmal eine Frage. Druckabfall gibt es aufgrund der Reibung entlang eines Rohres ja immer. Der Sinn der Drossel ist jetzt, dass der Druckabfall größer wird oder wie?
Ja, das kann man so sagen. Aber die funktioniert natürlich auch nur, wenn es strömt und dafür muss am Eingang und Ausgang des Systems schon eine Druckdifferenz bestehen.
Ja das ist klar.
Wobei mir da schon wieder eine Frage kommt. Wenn ich jetzt eine absolut reibungsfreie Strömung betrachte, ist eine Druckdifferenz nicht nötig oder? Sobald das Fluid einmal in Bewegung wäre, würde es ja einfach fließen. Das ist ja bei der einfachsten Form der Bernoulli Gleichung auch der Fall, weil da ja nach einer Engstelle auch wieder der gleiche Druck wie davor herrscht, oder?
(Ist die letzte Frage, versprochen!)
Wenn ich jetzt eine absolut reibungsfreie Strömung betrachte, ist eine Druckdifferenz nicht nötig oder?
Das ist korrekt. Man bräuchte nur am Anfang eine Beschleunigungsarbeit, um das Fluid in Bewegung zu versetzen. Diese könnte durch einen äußeren Druckunterschied erfolgen oder durch einen "inneren" Druckunterschied, indem man z.B. das Fluid zunächst nach unten fließen lässt, wodurch ein hydrostatischer Druck aufgebaut werden würde.
In der Praxis gibt es allerdings keine reibungsfreie Ströumng. Allerdings ist die bisweilen so gering, dass man sie guten Gewissens vernachlässigen und mit dem idealen Fall in guter Näherung rechnen kann.
Hallo heilaw,
das Video habe ich natürlich auch schon gesehen, aber welche physikalische Erklärung steckt dahinter?
Danke für die super Erklärung. Jetzt ist mir einiges klarer geworden. Der druckverlust wird quasi durch Wärme erzeugt bzw. Verwirbelungen. Wobkann ich die Formel finden?