Geschwindigkeiten beim Ausströmen aus Sattdampflei

Wissenschaft Naturwissenschaften allgemein
#1

Ich hätte folgende Frage:
Situation ist folgende: Sattdampfleitung di=30 mm Dampfdaten: 6 bar und 160 °C. Kugelhahn geschlossen - > Kugelhahn öffnen -> Dampf expandiert gegen Atmosphärendruck.
(einzigen Angaben !)

Wie hoch ist die Geschwindigkeit des Dampfes (eigentlich Dampf-Luft gemisches) in der mit Atmosphärendruck beaufschlagten Rohrleitung
nach dem Öffnen des Kugelhahns? Ich habe schon folgendes gemacht:
Energiesatz -> Annahme: adiabate Expansion als Modell -> v=Wurzel(2*n*(h2-h1)); n…geschätzter isentrop. Wirkungsgrad, h1,2…spez. Enthalpien Dampf bei 6 bar und 1 bar (bei gleicher Entropie !) ->
Enthalpien aus h-s Diagramm - > Berechnung ergibt Wahnsinnsgeschwindigkeit von 692 m/s (Schallgeschwindigkeit von Dampf ~ 450 m/s) ???

Meine Frage lautet jetzt: Wahrscheinlich wird es irgendwo zu einem Druckstoss kommen bzw zu einem großen Druckverlust in der Rohrleitung.
Was wäre weiterführend der zielführendste Vorgang ? Kann es sein, dass zu geringe Informationen vorliegen (wird sogar sicher so sein ).
Vielleicht könnte mir jemand der schon ein ähnliches oder gleiches Problem hatte Tipps geben ?

Vielen Dank im voraus.

#2

Hi Marcus,

bei so viel Rechnerei würde ich an Deiner Stelle die Frage im Mathe und Physik-Brett stellen.
Die Leutchen die sich dort rumtreiben sind mit solchen Knobelaufgaben immer glücklich zu machen :wink:

Gandalf

#3

Hallo Markus,

Situation ist folgende: Sattdampfleitung di=30 mm Dampfdaten:
6 bar und 160 °C. Kugelhahn geschlossen - > Kugelhahn
öffnen -> Dampf expandiert gegen Atmosphärendruck.
(einzigen Angaben !)

Wie hoch ist die Geschwindigkeit des Dampfes (eigentlich
Dampf-Luft gemisches) in der mit Atmosphärendruck
beaufschlagten Rohrleitung
nach dem Öffnen des Kugelhahns?

Verstehe ich das richtig? Hinter dem Kugelventil ist Sattdampf 6 bar und das geht nach außen durch das Kugelventil? Oder geht da eine Rohrleitung weiter, die mit Luft und Atmospärendruck gefüllt ist? geht die Leitung später ins Freie? Wie kommt das Dampf-Luftgemisch zustande?

Enthalpien aus h-s Diagramm - > Berechnung ergibt
Wahnsinnsgeschwindigkeit von 692 m/s (Schallgeschwindigkeit
von Dampf ~ 450 m/s) ???

Also wenn das Kugelventil ins Freie führt ist das nach dem Aufmachen ein rohrförmiger Auslass und theoretisch entweicht der Dampf (kein Gemisch?) mit seiner Schallgeschwindigkeit. Daran erinnere ich mich noch ziemlich genau weil ich früher einmal Lavaldüsen und Druckreduzierventile konstruiert habe um in den Düsen Überschallgeschwindigkeit zu erreichen und dosiert Dampfmengen irgendwohin zu entlassen. Natürlich mußt Du von der Schallgeschwindigkeit etwas abziehen, es gibt Verwirbelungen und Wikungsgradverluste.

Wie ich damals zu der Schallgeschwindigkeit kam und wie der Gegendruck (1 bar) zu berechnen ist weiß ich nicht mehr. Du nanntest 450 m/s, das scheint mir nicht unwahrscheinlich zu sein. Zu Beachten ist, ob der Dampf immer wieder nachproduziert wird oder der Druck abfällt, weil es nur ein bestimmtes Dampfvolumen zur Verfügung steht. Dann würde sich die Geschwindigkeit rapide verringern weil die Schallgeschwindigkeit mit der Druckdifferenz stark abfällt.

Sorry, daß ich Dir nicht besser helfen kann, aber mein Gedächtnis ist halt nicht mehr so, wie es sein könnte. Ich hätte mich gar nicht gemeldet, wenn inzwischen fundierte Antworten gekommen wären. Alt sein ist besch…eiden, aber jung zu sterben ist halt auch nicht das lustigste.

Grüße, Rudolf

#4

keine Sorge
Hallo,
ich denke, die Leute, die dort antworten kommen hier auch vorbei
und sind dann genauso glücklich.

Ansonsten scheint mir der erste Ansatz von RuBa ganz sinnfällig.
Im Moment des Öffnens wird der Kugelhanhn wahrsch. als kritische
Düse dienen.
Danach ist offen, welchen Strömungswiderstand die Leitung und
welche Kapazität die Quelle hat, oder?
Gruß Uwi

bei so viel Rechnerei würde ich an Deiner Stelle die Frage im
Mathe und Physik-Brett stellen.
Die Leutchen die sich dort rumtreiben sind mit solchen
Knobelaufgaben immer glücklich zu machen :wink:

#5

Danke für Eure Antworten:

Folgendes möchte ich noch dazu sagen:

Tatsächlich wird immer Dampf nachgeliefert. Den Druckverlust in der dem Kugelhahn nachgeschalteten Rohrleitung könnte man iterativ über die erstmalige Annahme, dass hinter dem Absperrorgan Schallgeschwindig-
keit herrscht berechnen.

Waas mich jetzt nur noch von der theoretischen Seite interessieren würde: Wie wird das theoretisch begründet daß hier Schallgeschwindigkeit herrscht ?
Und; angenommen der Dampf entweicht nach dem Strömen in einem kurzen Rohrstück über einen Dampfverteiler mit ca. 6mm Bohrungen in die Um-
gebung, wie weit würde der Dampfstrahl reichen (natürlich in abhängigkeit von der Geschwindigkeit ?

Vielleicht hat dazu jemand gute Ansätze.

#6

Hallo Markus:

Tatsächlich wird immer Dampf nachgeliefert. Den Druckverlust
in der dem Kugelhahn nachgeschalteten Rohrleitung könnte man
iterativ über die erstmalige Annahme, dass hinter dem
Absperrorgan Schallgeschwindig-
keit herrscht berechnen.

Die Ausströmgeschwindigkeit ist die Schallgeschwindigkeit, der Kugelhahn ist ja nur ein Teil der Rohrleitung, wenn er offen ist sogar nicht verengend, der hat keine Absicht, die Geschwindigkeit des Dampfes zu ändern. Die Schallgeschwindigkeit bei einem Auslaß kann natürlich nur eingehalten werden, wenn die Rohrleitung bis zum Auslaß auch die nötige Menge Dampf durchläßt. Kleine Unterschiede in der Geschwindigkeit gibt auch die Form. Wenn Du z.B. nur ein Rohr abschneidest oder sauber entgratest gibt es verschiedene Austrittsgeschwindigkeiten.

Waas mich jetzt nur noch von der theoretischen Seite
interessieren würde: Wie wird das theoretisch begründet daß
hier Schallgeschwindigkeit herrscht ?

Das weiß ich nicht (mehr?), ich erinnere mich nur daran, daß beim Austritt von Dampf die Druckdifferenz zwischen dem Dampfdruck und dem Raum in den er ausströmt in die Berechnung eingehen.

Und; angenommen der Dampf entweicht nach dem Strömen in einem
kurzen Rohrstück über einen Dampfverteiler mit ca. 6mm
Bohrungen in die Um-
gebung,

Dann hast Du natürlich keine Schallgeschwindigkeit in dem Rohr und dem Kugelhahn sondern bei den 6 mm Öffnungen, vorausgesetzt die Rohrleitung läßt genug Dampf dorthin.

wie weit würde der Dampfstrahl reichen (natürlich in
abhängigkeit von der Geschwindigkeit ?

Ist das jetzt wieder nur EIN Dampfstrahl? Die Anordnung ist schwer vorstellbar.

Vielleicht hat dazu jemand gute Ansätze.

Sicher bin ich nicht, ob alles stimmt, was ich Dir geschrieben habe, meine Erfahrungen damit waren vor 45 Jahren und seither hatte ich damit nichts mehr zu tun.

Grüße, Rudolf