Berechnung der Druckverluste und Volumenströme mit Hydraulikformeln

Geschichte der Hydraulik und der Hydrodynamik

Ludwig Prandtl führte im 1904 zwei nahezu unabhängig voneinander entwickelte Gebiete der Fluiddynamik zusammen, die Hydraulik und die Hydrodynamik.
Unter Hydraulik versteht man die weitgehend experimentelle und anwendungsorientierte Strömungstechnik, die von Ingenieuren zur Lösung ihrer Probleme verwendet wird. Die Aufstellung eines Hydraulik-Netzwerks basiert auf empirischen Druckverluste-Koeffizienten von Bernoulli.
Die Hydrodynamik ist ein Gebiet, mit dem sich Physiker, angewandte Mathematiker und Entwickler von Strömungssoftware vor allem theoretisch beschäftigen, sie analysieren und lösen die gesamten komplexeren nichtlinearen Strömungsgleichungen von Navier-Stockes.

1D Strömungsnetzwerk im Vergleich zu der 3D-CFD Strömungssimulation

Das Kühlungssystem einer Grossanlage ist zu gross und zu komplex, um mit Hilfe von 3D-CFD Strömungssimulationen gesamthaft ausgelegt zu werden. Es ist deshalb sinnvoll diese mit den Hydraulikformeln zu berechnen; diese Methode wird auch 1D-CFD oder Strömungsnetzwerk genannt. Diese ist besonders verbreitet bei der Auslegung von Gasdampf-Kombikraftwerken und Kohlkraftwerken: für den Wasserdampfkreislauf, das geschlossene Kühlwasser- oder Schmierölsystem, sowie weitere Hilfssysteme. Auch in der Automobilindustrie und für grössere Drehfeldmaschinen wird das gesamte Kühlsystem so ausgelegt.
Da die Strömungsberechnung nur eine Annäherung ist, können eine Vielzahl von Zuständen simuliert werden: Gase oder Flüssigkeiten, stationär oder instationär, geschlossene oder offene Systeme, kompressible oder inkompressible Strömungen, Erwärmung und Kühlung und sogar Verbrennung und Mehrphasenströmungen. In der frühen Entwicklungsphase können aufgrund der geringen Simulationszeit viele Iterationen durchgeführt werden
Netzwerke können mit Excel, in Fortran, in C oder C++ vom Ingenieur programmiert werden; heutzutage werden auch Thermo-fluid Subsystem-Software wie Flomaster, Amesim. SimuluationX ... ® gern eingesetzt. Diese Software unterscheiden sich in der Komponenten Bibliothek, wo Elemente wie Pumpen, Lüfter, Ventile, Krümmungen, Abzweige ... vordefiniert sind. Die passiven Komponenten wie Wärmetauscher werden durch einen konstanten oder volumenstrom-abhängigen Druckabfall berücksichtigt.

Axialer Lüfter   Radialer Lüfter

Axialer Lüfter Ziehl-Abbeg                                     Radialer Lüfter ER..C ©

Druckverluste in den Rohren

Da keine allgemeine theoretische Formel für die Berechnung der Druckverluste gilt, ist man noch weitgehend auf experimentelle Untersuchungen und die daraus folgende Formel der Hydraulik angewiesen.
Die Druckverluste aufgrund der Reibung in geraden Rohren können mit Hilfe der Rohrreibungszahl l berechnet werden. Diese ist dimensionsloser Koeffizient, die sich auf dem Moody-Diagramm als Funktion der Reynoldszahl Re lesen lässt. Diese Zahl sollte auch in Abhängigkeit der mittleren Rauigkeit erhöht werden.
Die Druckverluste aufgrund von Geometrieänderungen wie Rohrverbindungsstücken, Drosseln, Verstopfungen, Eintritt in das Rohr, Austritt aus dem Rohr summieren sich mit den Druckverlusten aufgrund der Reibung in geraden Rohren. Diese Druckverluste werden mit Hilfe der Koeffizienten der lokalen Widerstandzahl berechnet, die in der Literatur zu finden sind.
Da das gesamte Rohrsystem in einen vordefinierten Raum montiert werden soll, muss nach der hydraulischen Auslegung des Systems die Anordnung der Rohre und Komponenten mit Hilfe eines CAD-Models geprüft werden.

Pumpen und Lüfter als Druckerzeuger

Die Pumpen und Lüfter gehören zu den mechanischen Ausrüstungen. Sie werden durch einen elektrischen Antrieb getrieben, die elektrischen Daten des Antriebs müssen natürlich einen Anschluss an der Stromversorgung ermöglichen. 
Ein Lüfter wird durch die Lüfterkurve und die Drehzahl definiert; lediglich die Lüfteranforderungen (Druckerzeugung und Luftmenge) müssen hier ermittelt werden, um mit Hilfe eines Herstellerkatalogs den geeigneten Lüfter auszuwählen.
Eine Pumpe fördert flüssiges Medium; sie wird durch die Pumpenkurve (Druckerzeugung und Wassermenge) und Forderhöhe definiert. Falls das System Wärmetauscher beinhaltet, müssen für deren Kühlung auch die Lüfter ausgelegt werden.

Kleines Strömungsnetzwerk generiert mit FloMASTER
Kleines Strömungsnetzwerk generiert mit FloMASTER