Dieses Dokument beschreibt die theoretischen Grundlagen und Berechnungsverfahren zur hydraulischen Auslegung von Drosselblenden nach Idelchik und Reader-Harris/Gallagher (ISO 5167-2) sowie zur Festigkeits- und Wandstärkenberechnung nach AD-2000 Merkblatt B 0.
Der Rechner vereint zwei wesentliche Schritte der Auslegung von Restriktions- und Drosselblenden in Rohrleitungen:
| Symbol | Einheit | Bezeichnung / Beschreibung |
|---|---|---|
| Q | m³/h | Volumenstrom des Mediums |
| D₁ (oder D) | mm | Rohrinnendurchmesser (Berechnungsdurchmesser) |
| d | mm | Blendendurchmesser (Innenöffnung der Lochscheibe) |
| s | mm | Dicke der Blendenplatte (Blendendicke) |
| ρ | kg/m³ | Dichte des Strömungsmediums |
| μ | 10⁻⁶ Pa·s (µPa·s) | Dynamische Viskosität des Mediums |
| Δp | bar | Wirkdruck / Differenzdruck (messtechnischer Druckabfall direkt an der Blende nach ISO 5167) |
| ΔpB | bar | Bleibender Druckverlust (netto irreversibler Drosselverlust des Rohrnetzes nach der Ausweitung) |
| β | — | Durchmesserverhältnis ($\beta = d / D_1$) |
| ReR, ReB | — | Reynolds-Zahlen im Rohr bzw. in der Blendenöffnung |
| ζB | — | Drosselverlustbeiwert für den bleibenden Druckverlust ($\Delta p_B = \zeta_B \cdot \tfrac{\rho}{2} v_R^2$) |
| α | — | Durchflusszahl nach DIN EN ISO 5167 (in klassischer Literatur teils $\mu$; Verhältnis von realem zu idealem Volumenstrom) |
| Corg | — | Formbeiwert der ungelochten Platte (nach AD-2000 B0, z. B. 0.4 bei eingespannten/geschweißten Biegungsenden) |
| CA | — | Korrekturbeiwert für die Lochung (Polynom 6. Ordnung nach AD-2000 B0, Variante $D_1$) |
| p | bar | Berechnungsdruck für die Festigkeit (entspricht der berechneten Druckdifferenz $p = \Delta p$) |
| S | — | Sicherheitsbeiwert (typischerweise 1.5 für Stähle) |
| K | N/mm² | Zulässige Spannung / Festigkeitswert des Werkstoffs bei Berechnungstemperatur |
| c₁, c₂ | mm | Zuschläge für Korrosion/Erosion (c₁) sowie Toleranzen/Abnutzung (c₂) |
| serf | mm | Erforderliche Mindestwanddicke der Blendenplatte nach AD-2000 B0 |
Ausgangspunkt der Berechnung ist die reibungsfreie Bernoulli-Gleichung zwischen Punkt 1 (ungestörtes Rohr, Durchmesser $D_1$) und Punkt 2 (Blendenöffnung, Durchmesser $d$). Für den idealen Volumenstrom (keine Verluste) ergibt sich:
In der Strömungsmechanik und Messtechnik muss strikt zwischen dem messtechnischen Wirkdruck (Differenzdruck $\Delta p$) an der Blende und dem hydraulisch bleibenden Druckverlust ($\Delta p_B$) der Rohrleitung unterschieden werden:
| Kenngröße | Differenzdruck / Wirkdruck ($\Delta p$) | Bleibender Druckverlust ($\Delta p_B$) |
|---|---|---|
| Definition | Statische Druckdifferenz direkt zwischen den Druckabnahmen vor der Blende ($p_1$) und in der Engstelle ($p_2$). | Netto-Gesamtdruckverlust im Rohrnetz weit hinter der Blende ($p_1 - p_3$) nach vollständiger Druckrückgewinnung. |
| Physik. Ursache | Reversible kinetische Beschleunigung des Fluids in die Engstelle ($v_1 \to v_2$) + Reibung. | Irreversible Impuls- und Wirbeldissipation bei der schockartigen Strahlausweitung hinter der Vena Contracta (Borda-Carnot-Verlust). |
| Anwendung | Messwert für Durchflussmessgeräte & Wirkdruckgeber (DIN EN ISO 5167). | Energie- und Druckverlustberechnung für die Auslegung von Pumpen, Gebläsen und Anlagen. |
| Verhältnis |
$\Delta p_B < \Delta p$: Der bleibende Druckverlust ist stets kleiner als der Wirkdruck. Nach DIN EN ISO 5167-2 gilt näherungsweise: $$\Delta p_B \approx \Delta p \cdot \left(1 - \beta^{1{,}9}\right)$$ Bei kleinen Öffnungen ($\beta \to 0$) ist fast der gesamte Wirkdruck verloren ($\Delta p_B \approx \Delta p$). Bei großen Öffnungen ($\beta = 0{,}75$) werden ca. 65 % des Wirkdrucks im Auslauf als statischer Druck zurückgewonnen ($\Delta p_B \approx 0{,}35 \cdot \Delta p$). |
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Im Gegensatz zur idealen Rechnung (Bernoulli, reibungslos) tritt bei einer realen Lochscheibe eine Strahleinschnürung hinter der Öffnung auf – die sogenannte Vena Contracta. Der Strahl schnürt sich zunächst weiter ein (kleinster Querschnitt $A_c < A_2$) und weitet sich erst danach wieder auf. Dadurch entstehen Wirbel, Turbulenz und permanente Druckverluste, die über den Ausflussbeiwert $C_d$ (engl. discharge coefficient) erfasst werden.
Der reale Volumenstrom ist:
$C_d$ liegt für scharfkantige Lochscheiben typischerweise zwischen 0,60 und 0,65 im turbulenten Bereich und ist von Reynolds-Zahl Re, Durchmesserverhältnis $\beta$ sowie der Druckabnahme-Geometrie abhängig. Die Reader-Harris/Gallagher-Korrelation (RHG) liefert diesen Wert mit hoher Genauigkeit für genormte Corner-Tap-Blenden (vgl. ISO 5167-2).
Der aus der Bernoulli-Gleichung hergeleitete ideale Volumenstrom ($\dot{V}_{\text{ideal}}$) setzt eine reibungs- und verlustfreie Strömung voraus. In realen Rohrleitungsblenden entstehen jedoch dissipative Reibungs- und Wirbelverluste an der Scharfkantigkeit sowie eine Strahleinschnürung (Vena Contracta).
Der bleibende Druckverlust in der Rohrleitung wird über den Drosselverlustbeiwert $\zeta_B$ auf den dynamischen Druck der Rohrströmung bezogen:
Drückt man die Rohrgeschwindigkeit über den realen Volumenstrom aus ($v_R = \dot{V}_{\text{real}} / A_1 = \dot{V}_{\text{real}} \cdot \beta^2 / A_d$), folgt für den realen Volumenstrom:
Setzt man den realen und idealen Volumenstrom über die Durchflusszahl $\alpha$ (in der klassischen Hydraulik häufig auch als Ausflusszahl $\mu$ bezeichnet) in Beziehung ($\dot{V}_{\text{real}} = \alpha \cdot \dot{V}_{\text{ideal}}$), ergibt sich der exakte mathematische Zusammenhang zwischen dem Drosselverlustbeiwert $\zeta_B$ und $\alpha$:
Der Ausflussbeiwert $C_d$ (ISO 5167) und die Durchflusszahl $\alpha$ (DIN) unterscheiden sich durch den $(1{-}\beta^4)$-Korrekturfaktor:
*Hinweis zur Ausflussformel $\mu = 1 / \sqrt{\zeta_B}$: * In manchen Lehrbüchern findet man die vereinfachte Beziehung $\mu = 1 / \sqrt{\zeta_B}$ bzw. $\zeta_B = 1 / \mu^2$. Diese Sonderform gilt exakt für den freien Ausfluss aus einem großen Behälter ins Freie, bei dem das Anströmungsverhältnis vernachlässigbar klein ist ($\beta = d / D_1 \to 0$). Bei einer Drosselblende in einer Rohrleitung ($\beta > 0$) muss hingegen das Durchmesserverhältnis über den Geometriefaktor $(1 - \beta^4)$ berücksichtigt werden.
Die Idelchik-Erweiterung ergänzt die ideale Bernoulli-Herleitung um Reynolds-abhängige Korrekturfaktoren für laminare und turbulente Strömungszustände:
Der Volumenstrom $Q$ in m³/h wird zunächst in m³/s umgerechnet ($Q_s = Q / 3600$). Die mittlere Rohrgeschwindigkeit $v_R$ und die Geschwindigkeit in der Blendenöffnung $v_B$ ergeben sich zu:
Die Reynolds-Zahlen in Rohr und Blende berechnen sich wie folgt:
Der Drosselverlustbeiwert $\zeta_B$ setzt sich aus einem turbulenten Verlustanteil nach Idelchik ($\zeta_{B,\text{turb}}$) und einem laminaren Reibungsanteil ($\zeta_{B,\text{lam}}$) zusammen:
Zur Abdeckung laminarer und im Übergang befindlicher Strömungen wird ein Reynolds-Korrekturfaktor $f(\text{Re}_B)$ angewendet:
Der Drosselverlustbeiwert $\zeta_B$ und der bleibende Druckverlust $\Delta p_B$ in bar berechnen sich nach Idelchik zu:
Die RHG-Korrelation ist eine empirische Formel zur genauen Bestimmung des Ausflussbeiwerts $C_d$ für norm-konforme Messblenden nach ISO 5167-2 (Corner-Tap-Druckabnahmen). Sie ist gegenüber der Idelchik-Näherung präziser im turbulenten Bereich und berücksichtigt Reynolds-Abhängigkeit sowie Druckabnahme-Geometrie.
Die vollständige Formel lautet (Corner-Tap-Konfiguration, $L_1 = L_2 = 25{,}4/D$):
Aus dem ermittelten Ausflussbeiwert $C_d$ errechnet sich zunächst die Endgleichung für den messtechnischen Differenzdruck (Wirkdruck $\Delta p$) an der Blende:
Der an der Lochscheibe entstehende Wirkdruck wird hinter der Blende nur teilweise wieder in statischen Druck zurückgewonnen. Durch Kontraktion, Turbulenz, Wirbelbildung und Reibung entsteht ein bleibender Druckverlust ($\Delta p_B$). Dieser wird üblicherweise über einen Drosselverlustbeiwert $\zeta_{B,\text{RHG}}$ beschrieben:
Einsetzen der Kontinuitätsgleichung $v_1 = Q / A_1$ liefert die Endgleichung für den bleibenden Druckverlust $\Delta p_B$ im Rohrnetz:
Das nachfolgende Diagramm vergleicht den bleibenden Druckverlust $\Delta p_B$ [bar] in Abhängigkeit vom Durchmesserverhältnis $\beta = d / D_1$ für die drei Berechnungsmethoden beim voreingestellten Standardbeispiel des Rechners ($D_1 = 50\text{ mm}$, $s = 1{,}0\text{ mm}$, $Q = 2{,}0\text{ m}^3/\text{h}$, Wasser bei $20\text{ °C}$ mit $\rho = 998\text{ kg/m}^3$ und $\mu = 1001\text{ µPa}\cdot\text{s}$):
Das nachfolgende Diagramm veranschaulicht den Verlauf des Drosselverlustbeiwerts $\zeta_B$ in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl in der Blendenöffnung ($\text{Re}_B$) für verschiedene Durchmesserverhältnisse $\beta$ im zulässigen Bereich ($0.15 \le \beta \le 0.75$). Verglichen werden die Idelchik-Näherung (durchgezogene Linien) und die Reader-Harris/Gallagher (RHG) Korrelation (gestrichelte Linien).
*Gestrichelte graue Linien markieren die Grenzen $\text{Re}_B = 500$ und $\text{Re}_B = 4000$ (Idelchik). Die blaue vertikale Strichlinie markiert die RHG-Mindestgrenze $\text{Re}_D = 5000$.
Die Kerbwirkung und Spannungsüberhöhung durch das zentrale Loch in einer ebenen Platte wird nach AD-2000 Merkblatt B 0 über ein Polynom 5. Grades in Abhängigkeit vom Durchmesserverhältnis $x = d / D_1$ approximiert:
Koeffizienten des Polynoms:
Mit dem wirksamen Formbeiwert $C = C_{\text{org}} \cdot C_A$ berechnet sich die erforderliche Mindestwanddicke $s_{\text{erf}}$ (in mm) wie folgt:
Orientierungswerte für typische Werkstoffe zur Eingabe von $K$ (nicht normativ):
| Werkstoff | Zulässige Spannung K bei 200 °C [N/mm²] | Normbasis / Regelwerk | Bemerkung |
|---|---|---|---|
| 1.4571 (316Ti) | 95 – 105 | AD-2000 W2 | Edelstahl, hoch korrosionsbeständig |
| 1.4404 (316L) | 85 – 100 | AD-2000 W2 | Austenitischer Edelstahl |
| P235GH | 75 – 90 | AD-2000 W1 | Klassischer Unlegierter Druckbehälterstahl |
| Titan (Grade 2) | 60 – 80 | AD-2000 W10 / Hersteller | Geringer E-Modul, hohe Säurebeständigkeit |
| Tantal | 40 – 60 | Herstellerdaten | Sonderwerkstoff / Liner |
| Borosilicatglas 3.3 | 7 – 10 | AD-2000 N4 | Spröder Glaswerkstoff, keine Plastizität |
| PTFE | 1 – 2 | Kriechgrenzen-Daten | Stark kriechend, nur als Dichtung/Liner |