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Gasströmung durch Rohre und Drosselung

Thermodynamics Basic Theory Compressed Air Wiki Physics of Air Compressors

Ein interessanter Zweig der Physik ist die Thermodynamik, insbesondere für das Verständnis von Druckluftkompressoren. In diesem Artikel sprechen wir über Gasströmung und Drosselung, aber zunächst folgt eine Einführung in die Thermodynamik.

Die Reynolds-Zahl

Formel Reynolds-Zahl, Berechnung
Die Reynolds-Zahl ist ein dimensionsloses Verhältnis zwischen Trägheit und Reibung in einem fließenden Medium.
Sie ist definiert als:

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Was sind die verschiedenen Arten von Strömung in einem Rohr?

Gasströmung durch eine Rohrleitung
Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Strömungen in einem Rohr. Bei Re < 2.000 dominieren die viskosen Kräfte im Medium, und der Strom wird laminar. Dies bedeutet, dass sich die verschiedenen Schichten des Mediums in der richtigen Reihenfolge zueinander bewegen. Die Geschwindigkeitsverteilung in den laminaren Schichten ist normalerweise parabolisch.

Bei Re ≥ 4.000 dominieren die Trägheitskräfte das Verhalten des fließenden Mediums, und die Strömung wird turbulent, wobei sich die Partikel zufällig innerhalb der Strömung bewegen. Die Geschwindigkeitsverteilung innerhalb einer Schicht ist bei einer turbulenten Strömung wird diffus.

Im kritischen Bereich zwischen Re ≤ 2.000 und Re ≥ 4.000 sind die Strömungsbedingungen unbestimmt. Die Strömung ist entweder laminar, turbulent oder eine Mischung aus beiden. Die Bedingungen werden durch Faktoren wie die Oberflächenglätte des Rohres oder durch andere Störfaktoren bestimmt. Damit eine Strömung in einem Rohr stattfindet, ist eine bestimmte Druckdifferenz erforderlich, um die Reibung im Rohr und in den Rohrkupplungen zu überwinden. Die erforderliche Druckdifferenz hängt vom Rohrdurchmesser, der Länge, Form und Oberflächenglätte des Rohrs sowie der Reynolds-Zahl ab.

Was ist der Joule-Thomson-Effekt?

Wenn ein ideales Gas durch einen Durchflussbegrenzer fließt und der Druck vor und nach dem Durchflussbegrenzer konstant ist, bleibt die Temperatur konstant. Es tritt jedoch am Durchflussbegrenzer ein Druckabfall auf, wobei die innere Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. Dies ist der Grund, warum die Temperatur sinkt. Bei realen Gasen ist diese Temperaturänderung permanent, auch wenn der Energiegehalt des Gases konstant bleibt. Dies wird als Joule-Thomson-Effekt bezeichnet. Die Temperaturänderung entspricht der Druckänderung am Durchflussbegrenzer, multipliziert mit dem Joule-Thomson-Koeffizienten.

Wenn das strömende Medium eine ausreichend niedrige Temperatur aufweist (≤ +329 °C für Luft), kommt es aufgrund der Drosselung am Durchflussbegrenzer zu einem Temperaturabfall, aber wenn das strömende Medium wärmer ist, kommt es stattdessen zu einem Temperaturanstieg. Dieses Verhalten wird für mehrere technische Anwendungen verwendet, beispielsweise bei der Kältetechnik und der Trennung von Gasen.

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