Durchflussberechnung

Kenntnisse über die Berechnung von Durchflussmengen, die Anwendung von einfachen Formeln und die Berücksichtigung von spezifischer Gravität und Temperatur reichen aus.

Die Grundlagen für die Berechnung von Durchflusswerten lassen sich einfach anhand eines Blendendurchflussmessers erläutern. Es müssen in diesem Fall lediglich Größe und Form der Blende, die Nennweite des Rohres, sowie die Dichte des Mediums bekannt sein. Mit diesen Werten lässt sich der Durchfluss für jeden Differenzdruck (Differenzdruck zwischen Eingangsdruck vor und Ausgangsdruck nach der Blende) bestimmen. Zur Berechnung eines Ventils müssen auch die Druckdifferenz und die Dichte des Mediums bekannt sein. Zusätzlich zur Rohr-Nennweite und Blendengröße müssen auch alle Änderungen der Strömungsquerschnitte und -richtungen im Ventil berücksichtigt werden.

Der Ventildurchflusskoeffizient fasst dabei alle Einflüsse von Durchflussänderungen im Ventil in einer Konstanten zusammen. Zur Bestimmung des Durchflusskoeffizienten setzen Ventilhersteller ein von der Instrument Society of America entwickeltes und jetzt allgemein verwendetes Standard-Prüfverfahren für Regelventile ein, bei dem Wasser mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten durch das Ventil geleitet wird. Das zu prüfende Ventil wird dabei in ein gerades Rohleitungssystem mit gleicher Nennweite eingebaut, sodass die Einflüsse von Flanschen und Querschnittsänderungen im Rohleitungssystem ausgeschlossen sind.

Gasdurchflussmengen bei niedrigem und hohem Druckabfall

Mit Hilfe des Blendendurchflussmessers kann das unterschiedliche Gasdurchflussmengen-Verhalten bei niedrigem und hohem Druckabfall aufgezeigt werden. Bei Gasdurchflussmengen mit geringem Druckabfall – der Ausgansdruck (p2) ist größer als der halbe Wert vom Eingangsdruck (p1) – begrenzt der Ausgangsdruck den Durchfluss durch die Blende. Sinkt der Ausgangsdruck, so steigen Durchflussrate und Strömungsgeschwindigkeit des Gases am Blendenausgang an.

Fällt der Ausgangsdruck auf die Hälfte des Eingangsdrucks, dann strömt das Gas mit Schallgeschwindigkeit aus der Blende. Dieser maximale Wert kann nicht überschritten werden, und die maximale Durchflussrate ist damit erreicht. Diese maximale Durchflussrate wird auch als choked flow oder kritische Durchflussrate bezeichnet. Eine weitere Verringerung des Ausgangsdruckes steigert die Durchflussrate nicht mehr, selbst wenn der Ausgangsdruck auf Null sinkt. Die Durchflussrate bei großem Druckabfall wird nur vom Eingangsdruck beeinflusst und nicht vom Ausgangsdruck.

Durchflussberechnung von Flüssigkeiten und Gasen

Weil Flüssigkeiten inkompressibel sind, hängt ihre Durchflussrate nur von der Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausgangsdruck ab (Δp, Druckverlust). Die Durchflussmenge ist die gleiche, unabhängig davon, ob der Systemdruck niedrig oder hoch ist, solange die Differenzdruck zwischen Eingangs- und Ausgangsdruck gleich ist. Die Berechnungen von Gasdurchflussmengen sind etwas komplexer, weil Gase kompressible Medien sind, deren Dichte sich mit dem Druck ändert.

Darüber hinaus sind zwei Kriterien zu unterscheiden – das Verhalten bei geringem und bei hohem Druckabfall. Bei geringem Druckabfall, also wenn der Ausgangsdruck (p2) größer ist als die Hälfte des Eingangsdrucks (p1), ist eine Berechnung mittels einer Formel eher schwierig. Es gibt aber Diagramme, die die Durchflusswerte von Luft bei geringem Druckabfall für ein Ventil mit einem Cv-Wert von 1,0 in Abhängigkeit vom Eingangsdruck (p1) für unterschiedliche Differenzdruckwerte (Δp) zeigen.

Ist der Ausgangsdruck (p2) hingegen niedriger als der halbe Wert vom Eingangsdruck (p1) – das heißt hoher Druckabfall – führt ein weiteres Absinken des Ausgangsdrucks nicht mehr zu einer Steigerung der Durchflussrate, weil dann die Gasströmungsgeschwindigkeit am Austritt der Blende Schallgeschwindigkeit erreicht hat. Dieser Grenzbereich kann nicht überschritten werden. Die Durchflusswerte bei hohem Druckabfall sind einfacher zu errechnen, da sie nur von Eingangsdruck, Temperatur, Ventil-Durchflusskoeffizienten und Gas-Dichte abhängen.