Das Medium fließt durch das Drosselloch

Dieser Beitrag wurde zuletzt von 3983596_FPPZ am 27.07.2019 um 09:13 bearbeitet. Die Temperatur des Gases sollte im Grunde konstant bleiben, genauso wie die des Flüssigkeits. Zwar entstehen beim Drosseln einige Verluste, die sich in einer Temperaturerhöhung äußern, doch dieser Einfluss ist äußerst gering und kann vernachlässigt werden. Die Position der Drosselklappe kann als eine Umwandlung zwischen kinetischer Energie (Strömungsgeschwindigkeit) und potenzieller Energie (Druck) angesehen werden. Die Gesamtenergie des Fluids bleibt im Grunde unverändert – sofern Verluste ignoriert werden. Der Druck sinkt nach der Drosselung, weil die Drossel den Widerstand in der Leitung erhöht. Dadurch ändern sich die Anteile der verschiedenen Verluste in der Leitung, was wiederum zu Veränderungen des Drucks und der Strömungsgeschwindigkeit in den jeweiligen Bereichen führt.

Im zweiten Stock liegt ein Fehler – die Drosselung des Drucks kann auch als Verdampfungskühlung bezeichnet werden. Der Mechanismus hinter Klimaanlagen und Kühlboxen beruht genau darauf.

Damals dachte ich auch daran, aber abgesehen von der Klimaanlage gab es bei keinem anderen Gerät ein Phänomen des Einfrierens oder Tauwasserns hinter dem Drosselventil – liegt das daran, dass der Druck zu niedrig ist und somit nicht genug Wärme aufgenommen werden kann?

Das bezieht sich auf spezielle Kühlmittel wie Freon, bei denen durch Verdampfung und Verdünnung Wärme aufgenommen bzw. abgegeben wird, um zu kühlen – ich meine dabei normale Kühlmittel

Wenn Gas oder Flüssigkeit durch einen Verengungsbereich oder eine Ventil in einem Rohr fließt, wird der Fluss behindert. Am Ventil entstehen Wirbel, Kollisionen und Reibungen im Fluid. Damit das Fluid durch die Ventile fließen kann, muss es diese Widerstände überwinden. Dies zeigt sich darin, dass der Druck hinter dem Ventil, P2, deutlich niedriger ist als der Druck vor dem Ventil, P1. Dieser Prozess, bei dem aufgrund von lokalen Widerständen im Strömungsbereich ein erheblicher Druckabfall auftritt, wird in der Regel als „Drosselvorgang“ bezeichnet. Tatsächlich entsteht, wenn die Flüssigkeit in Rohrleitungen und Geräten fließt, auch ein Strömungswiderstand, der dazu führt, dass der Druck abnimmt. Aber der Druckabfall ist relativ gering und erfolgt schrittweise. Der Druckabfall während des Drosselvorgangs des Drosselventils ist außerdem groß und erfolgt plötzlich. Während des Drosselvorgangs leistet die Flüssigkeit keine Arbeit nach außen, und man kann diesen Vorgang auch als adiabatischen Prozess betrachten, bei dem es keinen Wärmetausch mit der Umgebung gibt. Nach dem Gesetz der Energieerhaltung muss die gesamte Energie (Enthalpie) der Flüssigkeit vor und nach dem Drosseln unverändert bleiben. Jedoch können jede der drei Energieanteile, aus denen die Enthalpie besteht – die kinetische Energie der Molekülbewegung, die potenzielle Energie der Wechselwirkungen zwischen den Molekülen sowie die Strömungsenergie – variieren. Nach der Drosselung sinkt der Druck, das Massenverhältnis zum Volumen nimmt zu, der Abstand zwischen den Molekülen erhöht sich und die potenzielle Energie der Wechselwirkungen zwischen den Molekülen steigt. Die Bewegungsenergie hingegen ändert sich in der Regel kaum. Deshalb kann sie nur durch Verringerung der kinetischen Energie der Moleküle in potenzielle Energie umgewandelt werden. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Moleküle verringert sich, was sich in einem Temperaturabfall zeigt. Wenn ein Gas gedrosselt wird, dehnt sich aufgrund des sinkenden Drucks sein Volumen aus. Dadurch werden die Entfernungen zwischen den Molekülen größer, wodurch die potenzielle Energie zwischen den Molekülen zunimmt. Die kinetische Energie der Moleküle hingegen nimmt ab. Da die Größe der kinetischen Energie der Moleküle einen Hinweis auf die Temperatur gibt, sinkt in der Regel die Temperatur des Gases nach der Drosselung. Nicht alle Flüssigkeiten kühlen sich nach einer Drosselung und Erweiterung ab. Zum Beispiel erhöht Wasserstoff die Temperatur. Es ist nicht geeignet, den Verdichtungsprozess mit Gleichungen für gasförmige Stoffe zu erklären, denn in diesen Gleichungen werden keine Änderungen der Energie berücksichtigt. Der Anstieg oder Abfall der Temperatur hingegen hängt mit der Energie des Stoffes zusammen. Bei den meisten Gasen ist der Verdichtungsprozess ein Prozess der Druckminderung und Ausdehnung. Dabei leistet das Gas durch die Ausdehnung Arbeit, wodurch die innere Energie des Systems abnimmt und die Temperatur sinkt. Für Gase mit sehr geringer Molekülmasse gilt diese Erklärung nicht. Für Gase hängt es davon ab, ob die Temperatur beim Throttling ansteigt oder sinkt – das hängt vom Joule-Thomson-Koeffizienten sowie vom aktuellen Zustand (P, V) ab ； Das Sinken oder Steigen der Temperatur beim Drosseln von Gasen hängt vom Zustand des Gases vor dem Drosseln ab. Wie Wasserstoff und Helium steigt die Temperatur nach dem Drosseln an. Deshalb ist auch das Risiko eines Wasserstofflecks relativ hoch – aus genau diesem Grund. Denn durch die Erhöhung der Drosseltemperatur von Wasserstoff entstehen Flammen oder Explosionen. Wie verändern sich Druck, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit und Dichte des Gases vor und nach dem Durchfluss durch die Drosselklappe? Es ist allgemein bekannt, dass der Druck eines Fluids nach dem Throttling unweigerlich abnimmt. Doch bei der Temperatur, der Strömungsgeschwindigkeit sowie der Dichte werden nur selten Überlegungen angestellt. Zunächst zur Temperatur: Nach den Prinzipien der Thermodynamik führt die Kompression zu einer Wärmeabgabe, während die Ausdehnung eine Wärmeaufnahme zur Folge hat. Das bedeutet, dass bei steigendem Druck auch die Temperatur des Fluids ansteigt – es muss dabei Wärme abgeben. Wenn der Druck sinkt, sinkt auch die Temperatur des Fluids – es muss dabei Wärme aus der Umgebung aufnehmen. Dies gilt insbesondere für Gase. Deshalb sinkt die Temperatur von Gasen nach dem Throttling. Bei Gasen bei Raumtemperatur führt ein starkes Throttling zu einem großen Druckabfall und somit zu einem erheblichen Temperaturabfall. Oft findet man in den Gasleitungen nach dem Throttling Frost – das ist genau der Grund dafür. Was die Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeit angeht, so kann bei Flüssigkeiten der Einfluss von Druckveränderungen auf das Volumen vernachlässigt werden. Bei konstanter Durchflussmenge hängt die Strömungsgeschwindigkeit vom Rohrdurchmesser – also von der Querschnittsfläche des Strömungsweges – ab. Wenn der Rohrdurchmesser vor und nach dem Drosselventil gleich ist, sollte die Strömungsgeschwindigkeit unverändert bleiben. Bei Gasen ist das jedoch nicht der Fall: Da der Druck beim Gas sinkt, muss das Volumen zunehmen. Dadurch erhöht sich auch die relative Durchflussmenge bei diesem Druck (die tatsächliche Durchflussmenge bleibt jedoch unverändert). Somit steigt die Strömungsgeschwindigkeit nach dem Drosseln. Das Volumen nimmt zu, wodurch die Dichte abnimmt. Das sind also die Veränderungen der Parameter eines Gases vor und nach dem Durchgang durch ein Drosselventil: Der Druck sinkt, die Temperatur sinkt, die Strömungsgeschwindigkeit steigt und die Dichte nimmt ab.

Sinkt auch die Temperatur der Flüssigkeit nach dem Durchgang durch das Drosselloch?

Der Druckabfall ist relativ gering und die Wärmehaltung der Flüssigkeit hoch, weshalb sich die Temperatur kaum verändert. Doch die Umwandlung der Potenzialenergie in Wärmeenergie ist sicherlich möglich.