Volumenstrom
Der Volumenstrom bezeichnet die Menge eines Mediums – wie Flüssigkeiten oder Gase –, die in einer bestimmten Zeit durch einen definierten Querschnitt strömt. Diese physikalische Größe ist vor allem in der Technik von Bedeutung, z. B. in der Hydraulik, wo sie die Geschwindigkeit von Bewegungen beeinflusst und damit die Leistung von Maschinen und Anlagen bestimmt. Die Einheit des Volumenstroms wird im internationalen Einheitensystem (SI) als Kubikmeter pro Sekunde angegeben (m³/s). Für geringere Volumenströme werden auch Liter pro Sekunde (l/s) oder Liter pro Minute (l/min) angegeben.
Wie wird der Volumenstrom berechnet?
Zur Berechnung des Volumenstroms gibt es verschiedene Methoden, wobei die gebräuchlichsten Formeln die Fließgeschwindigkeit und den Querschnitt der Rohrleitung einbeziehen:
Berechnung mit Fließgeschwindigkeit und Querschnitt
Der Volumenstrom V̇ kann berechnet werden, indem eine Querschnittsfläche A (z. B. einer Leitung) mit der Strömungsgeschwindigkeit v multipliziert wird, woraus sich die folgende Formel ergibt:
V̇ = A ⋅ v
Die Querschnittsfläche A wird in Quadratmetern (m²) angegeben und die Mediumgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde (m/s).
Berechnung aus beförderter Menge und Zeit
Eine weitere Möglichkeit, den Volumenstrom zu berechnen, basiert auf der beförderten Menge V und der benötigten Zeit t. Die Formel hierfür lautet folgendermaßen:
V̇ = V : t
In diesem Fall gibt V das transportierte Volumen in Kubikmetern (m³) und t die Zeit in Sekunden an (s). Diese Methode bietet sich vor allem dann an, wenn das Volumen und die Transportzeit bekannt sind, z. B. bei der Überwachung von Tankentleerungen oder bei Messungen im Bereich der Fördertechnik.
Unterschied zwischen Volumenstrom und Massenstrom
Der Volumenstrom beschreibt, wie viel Raum ein Medium pro Zeiteinheit durchströmt – zum Beispiel, wie viele Kubikmeter Wasser pro Sekunde durch ein Rohr fließen. Der Massenstrom hingegen bezieht sich auf das Gewicht des Mediums und gibt an, wie viele Kilogramm pro Sekunde transportiert werden. Der Volumenstrom berücksichtigt nur das reine Volumen, während der Massenstrom auch die Dichte des Mediums mit einbezieht. Bei Wasser, dessen Dichte stabil bei etwa 1000 kg/m³ liegt, sind Volumenstrom und Massenstrom nahezu identisch. Bei Gasen (z. B. Luft), deren Dichte je nach Druck und Temperatur stark schwankt, kann der Unterschied jedoch erheblich sein – so ist ein Kubikmeter Luft weit leichter als ein Kubikmeter Wasser.
Wie wird der Volumenstrom gemessen?
Die Messung des Volumenstroms ist für die präzise Überwachung des Durchflusses von Flüssigkeiten oder Gasen in Rohrleitungen und Systemen, z. B. in der Pneumatik, von grundlegender Bedeutung. Zur Bestimmung des Volumenstroms stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung:
- Ultraschall-Durchflussmesser: Bei diesem Verfahren werden Ultraschallwellen durch das Medium gesendet. Die durch die Strömung verursachte Änderung der Schallgeschwindigkeit wird gemessen und daraus der Volumenstrom berechnet. Die Methode ermöglicht dadurch genaue Messungen und ist für eine Vielzahl von Flüssigkeiten und Gasen geeignet.
- Turbinen-Durchflussmesser: Im Strömungsweg des Mediums wird eine Turbine positioniert, über deren Drehzahl der Volumenstrom bestimmt wird. Die Drehzahl ist proportional zum durchlaufenden Volumen, was besonders bei Flüssigkeiten und Gasen mit stabiler Strömung von Vorteil ist.
- Differenzdruckmessung: Der Volumenstrom wird anhand des Druckabfalls zwischen zwei Messpunkten in einer Rohrleitung bestimmt. Diese Technik wird häufig in großen Rohrleitungsnetzen oder bei Gasströmen angewendet, da der Druckverlust in direktem Zusammenhang mit dem Volumenstrom steht.
- Magnetisch-induktive Durchflussmesser: Hier wird ein Magnetfeld erzeugt, das von leitfähigen Flüssigkeiten durchströmt wird. Durch die Bewegung des Mediums wird eine Induktionsspannung hervorgerufen, die zur Berechnung des Volumenstroms herangezogen wird.
- Zeit- und Füllstandsmessung: Der Füllstand eines Behälters wird über eine bestimmte Zeit hinweg gemessen. Aus der Menge, die in dieser Zeit in den Behälter gelangt, wird der Volumenstrom berechnet. Diese Methode ist besonders für kleinere Anwendungen geeignet.
- Pitot-Rohr: Mit dieser Methode wird der Staudruck in einem Strömungsfeld erfasst. Aus der Differenz zwischen statischem Druck und Staudruck kann die Strömungsgeschwindigkeit und aus der Querschnittsfläche der Rohrleitung der Volumenstrom berechnet werden. Die Messung mithilfe eines Pitot-Rohrs eignet sich besonders für Gasströmungen in offenen Kanälen.
Einflussfaktoren auf den Volumenstrom
Der Volumenstrom wird von verschiedenen Aspekten beeinflusst, die bei der Planung und Auslegung von Anlagen berücksichtigt werden müssen:
- Temperatur: Insbesondere bei Gasen hat die Temperatur einen direkten Einfluss auf die Dichte und damit auf den Volumenstrom.
- Querschnitt der Leitung: Eine Verringerung des Querschnitts führt zu höheren Strömungsgeschwindigkeiten und zu einem höheren Volumenstrom bei konstantem Druck.
- Viskosität: Eine höhere Viskosität des Mediums (wie bei zähen Flüssigkeiten) erschwert den Durchfluss und verringert somit den Volumenstrom.
- Systemwiderstände: Verengungen, Rohrbögen oder Ventile erzeugen Widerstand und drosseln schließlich den Volumenstrom.