Strömungssensoren sind ein kritischer Bestandteil vieler industrieller Prozesse und die Genauigkeit ihrer Messungen hängt maßgeblich von der korrekten Positionierung ab. Dabei wird die Leistungsfähigkeit und Effizienz von Durchflussmessgeräten stark von zwei grundlegenden Strömungsarten beeinflusst: laminarer und turbulenter Strömung. Im nachfolgenden Beitrag erfahren Sie, was diese Strömungsformen charakterisiert, wie sie sich auf Messungen auswirken und wie Sie Probleme durch turbulente Strömung in Ihren Systemen minimieren können.
Laminare Strömung: Idealzustand für Präzision
Die laminare Strömung lässt sich mit geordnetem Wasserfluss vergleichen, bei dem sich jede Flüssigkeitsschicht ungestört entlang ihrer eigenen Bahn bewegt. Hier gibt es keine Quervermischung der Schichten und die Geschwindigkeit der Partikel bleibt konstant, was zu einem stabilen Strömungsprofil führt. Dieses Phänomen resultiert in einer optimalen Bedingung für Durchflussmessgeräte, da es genaue und wiederholbare Messergebnisse ermöglicht. Vor allem bei niedrigen Fluidgeschwindigkeiten oder in Anlagen, in denen der Fluss durch wenige Hindernisse wie Ventile oder Kupplungen gestört wird, findet man laminare Strömungen vor.
Turbulente Strömung: Herausforderung für Messtechnik
Eine turbulente Strömung auf der anderen Seite ist geprägt durch irreguläre Wirbel und Unstetigkeiten, die den Fluss eines Mediums chaotisch gestalten. Sie tritt auf, wenn durch hohe Fließgeschwindigkeiten und die Interaktion mit Einbauten wie Behinderungen durch Ventile, Adapter oder Kupplungen der geordnete Fluss gestört wird. Durchflussmessgeräte, die von dieser Strömungsform beeinflusst werden, können unpräzise Messungen liefern, was zu einem erheblichen Problem in der Regeltechnik werden kann.
Warum laminare Strömung in der Durchflussmessung bevorzugt wird
- Hohe Genauigkeit: Laminare Strömung bedeutet weniger Störungen und somit zuverlässigere Messungen, was für Präzision in kritischen Anwendungen unabdingbar ist.
- Minimale Druckabfälle: Die gleichmäßigen Strömungen verursachen weniger Widerstand und Energieverlust, wodurch der Druckabfall über einem Durchflussmesser und damit der Energieverbrauch reduziert wird.
- Ideal für niedrige Durchflussraten: In Szenarien, in denen geringe Durchflussraten gemessen werden, ist laminare Strömung vorteilhaft, da Turbulenzen hier großes Potenzial für Messfehler bergen.
Laminare bzw. turbulente Strömung bestimmen mit der Reynolds-Zahl
Die Reynolds-Zahl hilft Ihnen zu bestimmen, ob eine Strömung eher laminar oder turbulent ist. Sie ist dimensionslos und universell anwendbar, unabhängig vom verwendeten Einheitensystem. Die Reynolds-Zahl unterstützt bei der Beurteilung und Vorhersage von Strömungsverhalten in unterschiedlichen Bedingungen, wie beispielsweise der Wasser- und Luftdynamik. Sie wird bestimmt durch die folgenden vier Variablen:
- Dichte des Fluids
- Geschwindigkeit des Fluids
- Durchmesser des Rohrs
- Dynamische Viskosität des Fluids
Die Reynolds-Zahl lässt sich nach der folgenden Formel bestimmen: Reynolds Zahl (Re) = (Dichte x Geschwindigkeit x Rohrdurchmesser) / Dynamische Viskosität
Eine niedrige Reynolds-Zahl (≤ ca. 2300) signalisiert eine laminare Strömung, während eine hohe Zahl (≥ ca. 3000) auf turbulente Strömung hindeutet. Im Übergangsbereich zwischen diesen Werten kann die Strömung sowohl Merkmale einer laminaren als auch einer turbulenten Strömung aufweisen.
Die kritische Reynoldszahl in diesem Zusammenhang gibt genau den Schwellenwert der Reynoldszahl, bei dem ein Strömungszustand von laminar zu turbulent wechselt (bei Flüssigkeiten typischerweise bei ca. 2300).
Wie Sie die optimale Einbausituation von Strömungswächtern und Volumenstrommessgeräten in der Praxis am einfachsten bestimmen können, erfahren Sie in unserem neuen Ratgeber-Beitrag.
Tipps zur Minimierung der Auswirkungen turbulenter Strömung
Es ist entscheidend, Durchflussmessungen vor den störenden Auswirkungen turbulenter Strömungen zu schützen, um die Integrität und Genauigkeit Ihrer Messungen zu gewährleisten. Hier sind einige Tipps, wie Sie Ihre Systeme anpassen können:
- Optimieren der Einbausituation Um Turbulenzen zu minimieren, sollten unnötige Hindernisse im Strömungsweg vermieden werden. Sollten diese Komponenten notwendig sein, kann ein Turbulenzfilter bzw. Gleichrichter die Strömung beruhigen und zu einer laminaren Strömung zurückführen.
- Einhalten der empfohlenen Ein- und Auslaufstrecken
- Für jedes Strömungsmessgerät werden optimale Ein- und Auslaufstrecken angegeben, um die Strömung vor der Messung zu beruhigen. Insbesondere hinter Ventilatoren und Rohrbiegungen empfiehlt es sich, ausreichend Abstand zum Messpunkt einzuhalten und somit für ein möglichst gleichförmiges Messergebnis zu sorgen.
- Begrenzen der Strömungsgeschwindigkeit Beachten Sie die empfohlene Rohrlänge, um die Geschwindigkeit an den Eingängen und Ausgängen der Durchflussmessinstrumente zu moderieren und somit von einer turbulenten zu einer laminaren Strömung zu wechseln.
- Implementierung von Turbulenzfiltern: Diese speziell entwickelten Filter helfen dabei, das Strömungsmuster vor einem Sensor zu glätten und somit die Genauigkeit der Messungen zu verbessern.
Anwendungsspezifische Aspekte
Beachten Sie, dass abhängig von Ihrem spezifischen Prozess und der Anwendung turbulente Strömungen unterschiedliche Auswirkungen haben können. In Bereichen wie der Halbleiterherstellung müssen turbulente Strömungen oftmals strikt vermieden werden, um die Prozessstabilität zu gewährleisten. Bei anderen Prozessen, etwa bei hohem Druck, können die Effekte wiederum weniger bedeutsam sein.
Es ist essenziell, das richtige Durchflussmessgerät für Ihre Anwendung auszuwählen und zu berücksichtigen, wie laminare oder turbulente Strömungen die Leistung beeinflussen können. Unsere Experten stehen Ihnen für tiefergehende Beratungen jederzeit gern zur Verfügung.
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