Berechnung eines Volumenstromes

Hallo zusammen,

ich habe folgendes Problem:

Ich möchte einen starren Behälter (Volumen kann berechnet werden) mit CO2 durchströmen.
Dazu lass ich CO2 mit einem konstantem Druck (3bar) durch eine Öffnung mit kreisrundem Querschnitt (d=9mm) in den Behälter einströmen. Durch eine weitere Öffnung kann das Gas in die Umgebung (p=1bar) entweichen.
Im Behäter baut sich während des Vorgangs ein maximaler Druck von 2bar auf.
Kann ich - wenn ja wie - die verbrauchte Menge Gas je Zeiteinheit bestimmen?
Benötige ich für die Lösung weitere Angaben?

Über Lösungsvorschläge wäre ich sehr dankbar!

Grüße Peter

Hi Peter,

ja natürlich kann man es berechnen, man muß zunächst die Geschwindigkeiten des Gases an den Öffnungen bestimmen (max. Schallgeschwindigkeit) und über die Geschwindigkeit kann man dann den Massenstrom berechnen. Dazu benötigt man allerdings die größe der zweiten Öffnung.

Gruß
Steven

Ich möchte einen starren Behälter (Volumen kann berechnet
werden) mit CO2 durchströmen.
Dazu lass ich CO2 mit einem konstantem Druck (3bar) durch eine
Öffnung mit kreisrundem Querschnitt (d=9mm) in den Behälter
einströmen. Durch eine weitere Öffnung kann das Gas in die
Umgebung (p=1bar) entweichen.
Im Behäter baut sich während des Vorgangs ein maximaler Druck
von 2bar auf.
Kann ich - wenn ja wie - die verbrauchte Menge Gas je
Zeiteinheit bestimmen?
Benötige ich für die Lösung weitere Angaben?

Über Lösungsvorschläge wäre ich sehr dankbar!

Grüße Peter

Huhu,

Da der Einström-Druck und Umgebungsdruck konstant ist, haben wir hier einen stationären Zustand.
Sofern im Behälter das Gas nicht erwärmt oder abgekühlt wird kann man hier von gleicher Dichte ausgehen. Wir können jetzt die Bernoulli-Gleichung aufstellen, die besagt, das ohne Energiezufuhr (oder Abfuhr) der Totaldruck überall gleich ist. Der Totaldruck setzt sich zusammen aus dem statischen Druck (den wir so normal Messen könne), dem dynamischen Druck (der über die Geschwindigkeit des Gases aufgebaut wird) und dem hydrostatischen Druck (also bei einer Wassersäule hast du an der Oberfläche Umgebungsdruck und ganz unter den Druck der Wassersäule). Da sich ein und Austritt wahrscheinlich nicht wesentlich in der Höhe unterscheiden lass ich den Teil weg.

p1=p2+rho/2*c²2

Jetzt kannst du also die Geschwindigkeit c2 am Austritt berechnen, über den Querschnitt den Volumenstrom und über die Dichte den Massenstrom.

Vorraussetzung ist aber, das die 3bar an der Leitung bei geschlossener Leitung anliegen, bzw. das der Eingangsdruck p1=3 bar der Totaldruck ist.

Vergiss nicht bar in Pa umzurechnen.

Gruß
TeaAge

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

Hallo,

zunächst mal vielen Dank für die schnellen Antworten.

Mein größtes Problem, das ich habe ist eigentlich folgendes:
Der Ausgangsdruck im Behälter ist ja zunächst Umgebungsdruck. Dieser Druck steigt allerdings während des Vorgangs auf max 2bar.
Ist dann mein gesuchter Volumenstrom nicht von diesem Druck, der sich ja langsam aufbaut, abhängig? Dann würde ich nämlich sagen, dass sich der gesuchte Volumenstrom aus ausströmenden Volumenstrom + das Volumen des Gases im Behälter zusammensetzt! Diese beiden Größen müsste ich dann berechnen und addieren!
Ist dieser Ansatz falsch?
Weil ich bin der Meinung - bitte korrigiert mich wenn ich falsch liege - dass die Menge des einströmenden Gases vom Druck im Behälter abhängig ist und dieser ist ja nicht konstant ist!
In der Bernoulligleichung werden ja Druckdifferenzen eingesetzt.

Ist alles nicht so einfach! :smile:

Grüße Peter

MOD: Vollzitat gelöscht.

Der Druck im Behälter steigt kontinuierlich an, bis auf einen festen Wert.

Das ist nur für die ersten Sekunden interessant … aber ich gehe mal davon aus, das dir das recht egal ist.

Nach diesem „Einschaltvorgang“ ist der Behälter quasi egal.

Die Bernoulli Gleichung gilt zwischen 2 beliebigen Punkten, solange dazwischen keine Energie abgebaut bzw. zugeführt wird (oder man die Energiedifferenz kennt).

Generell gilt mein Beitrag zu deiner Frage, ich weiß nicht was du daran auszusetzen hattest …

Gruß

Hi Peter,

ja, der Volumenstrom ändert sich natürlich mit steigenden Druck. Du sagst das der Druck bis auf max. 2 bar ansteigt. Woher kennst du diesen Grenzwert? und weist du wielange es dauert bis der Druck auf 2 bar ansteigt? Wenn du doch bei 2 bar bist, würde das bedeuten das der Massenstrom am Eintritt gleich groß dem Massenstrom am Austritt ist.

Na ja, die Geschwindigkeit kannst du doch dann jedenfalls mit der Bernoulli-Gleichung bestimmen, weil die Druckdifferenz dann ja konstant ist.

Gib uns doch einfach mal alle Randbedingungen die du hast, vielleicht können wir dir dann ja etwas besser weiterhelfen.

Gruß
Steven

Hallo,

zunächst mal vielen Dank für die schnellen Antworten.

Mein größtes Problem, das ich habe ist eigentlich folgendes:
Der Ausgangsdruck im Behälter ist ja zunächst Umgebungsdruck.
Dieser Druck steigt allerdings während des Vorgangs auf max
2bar.
Ist dann mein gesuchter Volumenstrom nicht von diesem Druck,
der sich ja langsam aufbaut, abhängig? Dann würde ich nämlich
sagen, dass sich der gesuchte Volumenstrom aus ausströmenden
Volumenstrom + das Volumen des Gases im Behälter
zusammensetzt! Diese beiden Größen müsste ich dann berechnen
und addieren!
Ist dieser Ansatz falsch?
Weil ich bin der Meinung - bitte korrigiert mich wenn ich
falsch liege - dass die Menge des einströmenden Gases vom
Druck im Behälter abhängig ist und dieser ist ja nicht
konstant ist!
In der Bernoulligleichung werden ja Druckdifferenzen
eingesetzt.

Ist alles nicht so einfach! :smile:

Grüße Peter

Hi Peter,

ja, der Volumenstrom ändert sich natürlich mit steigenden
Druck. Du sagst das der Druck bis auf max. 2 bar ansteigt.
Woher kennst du diesen Grenzwert? und weist du wielange es
dauert bis der Druck auf 2 bar ansteigt? Wenn du doch bei 2
bar bist, würde das bedeuten das der Massenstrom am Eintritt
gleich groß dem Massenstrom am Austritt ist.

Na ja, die Geschwindigkeit kannst du doch dann jedenfalls mit
der Bernoulli-Gleichung bestimmen, weil die Druckdifferenz
dann ja konstant ist.

Gib uns doch einfach mal alle Randbedingungen die du hast,
vielleicht können wir dir dann ja etwas besser weiterhelfen.

Gruß
Steven

Hallo Steven,

also der Grenzwert des Druckes im Behälter ist ein Erfahrungswert, der beobachtet wurde. Die Zeit, bis zum Erreichen dieses Druckes müsste also auch messbar sein (müsste aber doch auch berechenbar sein???!!!). Wenn diese 2bar erreicht sind dürfte das Bestimmen des Volumenstroms nicht mehr allzu schwierig sein (mit Bernoulli). Das Problem ist der Volumenstrom, der ausströmt, bis die 2bar erreicht sind. Und was ist wenn ich den Vorgang vorher abbreche?

Was ich eigentlich suche ist eine endgültige Formel, bei der ich lediglich die einzelnen Parameter (Zeit, Druck, Durchmesser der Eingangs-/Ausgangsöffnung) verändern muss.

Naja, vielleicht hats etwas weitergeholfen!?

MfG Peter

Du musst eine Massenstrombilanz aufstellen.

Was rein kommt minus das was raus kommt ist die Massenänderung um Berhälter
m.zu-m.ab=m.

Im Behälter macht die Massenänderung eine Druckänderung nach der Gasgleichung:
m.=V*p./(R*T)
V ist das Volumen des Behälter
p. der Druckänderung im Behälter
R die spezifschen! Gaskonstante von CO2 und T die Temperatur

m.zu=rhozu*Azu*czu
m.ab=rhoab*Aab*cab

Die Geschwindigkeiten ergeben sich aus
czu=Wurzel[2(pzu-p)/rhozu]
cab=Wurzel[2(pab-p)/rhoab]

Das kannst du alles in die Massenstrombilanz einsetzten.
Du bekommst eine lineare DGL 1. Ordnung mit p. und p

Als Vereinfachung habe ich überall gleiche Temperatur angenommen, das dürfte bei relativ geringen Geschwindigkeiten ok sein. Damit kann man das ganze lösen.

Ich hab das alles mal durch gespielt, müsste nur mal die ganzen Konstanten zusammenfassen und berechnen.

Auf jeden Fall bekommt man als Ergebnis eine exponentielle Funktion in der Art
p=D/A*e^(A/B*t)+D*e^(-A/B*t)

A, B, D müsste ich jetzt noch bestimmt um auf was brauchbares zu kommen.

p ist ja der Druck im Behälter von dem Hängt ja direkt das ausströmende Massenstrom ab.

Gruß

Hallo Peter,

Ich denke das ich dir da dann doch nicht so wirklich weiter helfen kann, ist zu hoch für mich!

Na ja, so einfach eine Funktion bilden wird aber meiner erachtens nach nicht funktionieren.

Wenn man davon ausgeht, das im Behälter ein Druck von 2 bar herscht und wir CO2 als ideales Gas annehmen, dann könnte man zumindestens die Geschwindigkeit mit der folgenden Gleichung bestimmen:

w=(2*K/(K-1)*Po*Vo*(1-(Pe/Po)^((K-1)/K))))^0.5

w=Geschwindigkeit
K=cp/cv für CO2=1,301bei 0°C
Po=Druck im Behälter
Pe=Druck außerhalb vom Behälter
Vo=spezifisches Volumen (Vo=0,27399m³/kg, bei 2bar und 20°C)

Die Gleichung gilt allerdings nur dann, wenn die Geschwinsigkeit kleiner der Schallgeschwindigkeit ist. Die Schallgeschwindigkeit berrechnet sich aus:

ws=(K*P*V)^0.5

K=Kappa
P=Druck in Pascal
V=spezifisches Volumen in m³/kg

Anschließend müsste man dann den Massenstrom berechnen können:

m=A*w*1/V

A=Austrittsfläche
w=Geschwindigkeit
V=spezifisches Volumen

dann der Volumenstrom:

V=m*1/V

Ich denke nicht das ich dir damit weiter helfen konnte und ich würde mich freuen wenn sich hier mal ein Experte einschalten könnte.

Gruß
Steven

Hallo Steven,

also der Grenzwert des Druckes im Behälter ist ein
Erfahrungswert, der beobachtet wurde. Die Zeit, bis zum
Erreichen dieses Druckes müsste also auch messbar sein (müsste
aber doch auch berechenbar sein???!!!). Wenn diese 2bar
erreicht sind dürfte das Bestimmen des Volumenstroms nicht
mehr allzu schwierig sein (mit Bernoulli). Das Problem ist der
Volumenstrom, der ausströmt, bis die 2bar erreicht sind. Und
was ist wenn ich den Vorgang vorher abbreche?

Was ich eigentlich suche ist eine endgültige Formel, bei der
ich lediglich die einzelnen Parameter (Zeit, Druck,
Durchmesser der Eingangs-/Ausgangsöffnung) verändern muss.

Naja, vielleicht hats etwas weitergeholfen!?

MfG Peter

Hallo,

naja ich werds mal mit euren Ansätzen probieren und schaun, ob ich was anständiges rausbekomme!

Vielen Dank für die schnelle Hilfe!

Gruß Peter

Du kannst ja mal eine genaue Beschreibung machen von dem System und was du vor hast.
Also was kannst du Messen, was sind das für Messgeräte (eventuell Funktionsweise), wo wird gemessen, was willst du wissen und warum, was ist gegeben?
Der „Start“-Vorgang ist nämlich ziemlich kompliziert und jede brauchbare Annahme kann helfen.

Gruß
TeaAge

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]