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Kategorie: > Wissenschaft > Physik / Chemie
Höhendifferenz aus Strömungsgeschwindigkeit bzw Volumenstrom
Geo
(Mailadresse bestätigt)

  01.12.2015

Hallo zusammen,

ich stehe seit geraumer Zeit mit einer Fragestellung auf dem Schlauch und hoffe Ihr könnt mir dabei helfen.

Ich möchte einen definierten Volumenstrom (5m³/h) aus einem Behälter herauslaufen lassen, der am unteren Ende ein 2" großen Abfluss besitzt (Querschnittsfläche: 20,27cm²). Dafür muss ich allerdings erst einmal berechnen wie hoch ich das Wasser in dem Behälter füllen muss (und auf diesem Niveau halten).
Laut Bernoulli-Gleichung benötige ich dafür den Druck auf der Wasseroberfläche (Atmosphärendruck) und den Druck am Ablauf, welcher meiner Meinung nach von der Strömungsgeschwindigkeit abhängen müsste.
Das bedeutet, dass ich zwei Unbekannte ind der Gleichung habe: Höhendifferenz zwischen Wasseroberfläche und Ablauf und der Druck beim Ablauf.
Kann mir damit jemand helfen? Falls noch Infos fehlen kann ich sie noch hinzufügen.

Vielen Dank im Voraus!!



Anzahl der unterhalb stehenden Antworten: 12
Hydrogeotest
hydrogeotestgmail.com
(Mailadresse bestätigt)

  15.12.2015
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Geo vom 15.12.2015!  Zum Bezugstext

Pumpe ja - elektronische Steuerung nein, denn die ist auch nur strunzdumm.

Geht anders viel besser und du kannst den Druck und Volumenstrom regeln.

Über einen Kreislauf mit Pumpe aus dem Behälter und wieder zurück. Das benötigte Wasser wird aus dem Kreislauf über einen Bypass entnommen.
Mit einer bestimmte Anordnung von Ventilen wird dann
- Druck aufgebaut
- die Wassermenge und der Druck der Wasserzufuhr ins Bohrloch geregelt
- der Durchfluss ins Bohrloch über IDM und den Druck über Manometer od. Sensor messen.

Das Wasser kannst du nicht einfach unten an einer einzigen Öffnung mit 5 m³/h einleiten. Das spült einfach nur durch den Druck die Suspension auf und tritt dann oben wieder aus. Das gibt kein realistisches Bild wieder.
 
Ich schlage vor, in dem unteren Bereich (Wassereintritt) einen doppelten Mantel zu basteln und in diesen das Wasser zu leiten. Das Innenrohr wird dort mit vielen Bohrungen od. Schlitzen perforiert.
So ist der Zutritt ähnlich wie bei Klüften. Die Menge / Größe der Öffnungen muss aber auch für die geplante Durchflussmenge reichen. Wenn ihr die Möglichkeit habt einen Drucksensor in dem Mantel zu installieren, dann habt ihr auch den genauen Druck unten.

Selbiges könnt ihr auch oben ca. 1-2m unter GOK machen, so könnt ihr den Austrittsbereich in die Anhydrit Formation simulieren. Dann sollte aber das Mittelohr noch ordentlich über GOK liegen und der Schlauch an dem Austrittsbereich einen entsprechenden Durchmesser haben.

Alternativ könntet ihr gleich die Schutzverrohrung der Bohrung drin lassen als Außenwand. Der Bodenbereich wird mit Quellton abgedichtet. Die Bohrung wird oben abgedichtet.
Durch den dichten Deckel oben kommen das Mittelrohr, ein 2 Zoll-Abgang als zusätzlicher Ausfluss und ein 2 Zoll Rohr mit einem ausreichenden Filter zur Injektion des Wassers.
Das Mittelrohr bekommt unten eine kurze Filterstrecke (0,3m o.ä.) oder Schlitze die dann die Klüfte.
Über das 2 Zoll Rohr wird dann alles gefüllt - den so ist es ja auch im Gebirge im Ruhezustand vor dem Verpressen.
Über die Wasserzufuhr könnt ihr die Menge (auch den Druck) kontrollieren und steuern. Somit auch, wieviel Wasser auch in das Mittelrohr gelangt.
Könnt auch noch Überdruck auf das System (Ringraum) geben, dann allerdings muss das Mittelrohr entsprechend höher über GOK sein und sich oben am Rohrabschluss noch ein Ablass mit Regelventil befinden, über welches auch noch mal der Druck reguliert werden bzw. eine schnelle Druckentlastung vorgenommen werden kann.

Der freie hydrostatische Druck ist bei 30 m Teufe 3bar + die Höhe von GOK zum  Wasserspiegel im Behälter. Den Luftdruck kannst du in die Tonne treten.
Machst du die Regelung der Wasserzufuhr über den Kreislauf, so hast du die Steuerung voll unter Kontrolle, aber ca. 3 bar liegen unten im Bohrloch immer an.

Den Druck unten im Bereich des Eintritts in das Mittelrohr kann man über eine Drucksonde in selber Höhe im Ringraum messen.
So würde ich es jedenfalls mache und Wasserseitig messtechnisch alles erfassen und aufzeichnen. Den Verlauf hätte ich dann visualisiert vor der Nase.
Für die Verpressmenge und -druck gibt es inzwischen ja auch Mess- und Aufzeichnungsgeräte, deren Einsatz mittlerweile auch in einigen Bundesländern vorgeschrieben ist. Mit solch einem Gerät könntet ihr dann auch noch die Versuchsbedingungen der Verpressvorgangs vollständig erfassen, denn euer Prüfkörper ist nur so gut, wie er den realen schadhaften Sonden dann auch entspricht.
Eigentlich müsste man aber auch noch eine Sonde reinstopfen…
Wie gefällt dir das...??

Mehr Informationen dazu gerne, aber erst in ein paar Tagen - bin etwas im Stress.

Gruß


Geo
(Mailadresse bestätigt)

  15.12.2015
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Hydrogeotest vom 15.12.2015!  Zum Bezugstext

Woraus wird die Formel ((h2-h1)/10)*Dichte der Suspension=Druck am Auslauf abgeleitet? Auch aus der Bernoulli´schen Gleichung? Ich würde einen freien Auslauf unter Atmosphärendruck annehmen. Ist das korrekt?

Genau das ganze wird gemacht, um die Qualität der Verfüllung zu analysieren.
Das Innenrohr können wir wieder aus dem Außenrohr herausnehmen und Stück für Stück anschauen (also die erhärtete Suspension).
Dennoch wäre es gut, wenn es beim ersten Mal klappt.
Wir werden das wahrscheinlich erst einmal im kleineren Maßstab ausprobieren. (~4m Rohre)

Die Wasserzufuhr werden wir mit einem kleineren Querschnitt (dünnerer Schlauch) machen müssen.
Es gäbe da noch die Möglichkeit die Wasserzufuhr mit einer Pumpe betreiben zu lassen, aber dazu brauchen wir eine Pumpe mit einstellbarem Volumenstrom und die sind nicht ganz billig.
Gibt es noch andere Tipps zur Verbesserung des Versuchsaufbaus?
Hydrogeotest
hydrogeotestgmail.com
(Mailadresse bestätigt)

  15.12.2015
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Geo vom 12.12.2015!  Zum Bezugstext

... da steckt ja nun wieder ganz was anderes dahinter, als ich vermutet habe.

Ihr wollt eine Prüfsonde basteln, um dann - wie auch immer - fehlerhafte Verfüllung darin zu lokalisieren?

Ist es das? Was ist das genaue Ziel der Übung?

Den Versuchsaufbau würde ich um einiges ändern.
Angefangen bei der Regelung des Wasserzuflusses, so wie angedacht, machst du dich unglücklich und eine aushärtende Suspension verzeiht keine Fehler.
Die Nummer sollte / muss ja auf Anhieb richtig funktionieren, einen 2. Versuch gibt es ja nicht so einfach...

Gruß


H2O
(gute Seele des Forums)

  14.12.2015
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Geo vom 12.12.2015!  Zum Bezugstext

Ok, zumindest der Druck am Auslauf ist dann einfach so zu berechnen wie schon Hydro beschrieben hat:

Also wenn ich die Höhenbezeichungen von der Skizze übernehme:

((h2 - h1)/10)*Dichte der Suspension in kg/l = Druck in Bar am Auslauf.

Gruß
H2O

 
Geo
(Mailadresse bestätigt)

  12.12.2015
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Hydrogeotest vom 07.12.2015!  Zum Bezugstext

Die Anlage wird praktisch umgesetzt, also es steht eine praktische Umsetzung dahinter.
Das Innenrohr ist zum Außenrohr mit allen Anschlüssen dicht, also sollte kein Austausch stattfinden. Das Außenrohr ist mit Wasser gefüllt um wenigsten ein bisschen Gegendruck zum umliegenden Untergrund aufzubauen, damit das Außenrohr nicht zusammengedrückt und undicht wird. Es ist nach oben hin offen, genauso wie das Innenrohr.
Wenn die Anlage steht, wird das Innenrohr mit einer Zementsuspension gefüllt, während der Wasserfluss läuft (um so einen Schadensfall in einer Erdwärmesonde zb wie in Staufen im Breisgau zu simulieren und so die Qualität/Vollständigkeit der Zementation analysieren zu können)
Die Zementsuspension wird die ganze Sache noch verkomplizieren, denn im Innenrohrs baut sich dadurch ein höherer Druck auf, als wenn es nur mit Wasser gefüllt ist.

Das Außenrohr wird nicht an den Wasserfluss beteiligt, es findet alles im Innenrohr statt.
Den Druck der Wassersäule wollte ich über den Wasserstand im Hochbehälter regulieren, der sich dann dem Wasserstand am Auslauf anpasst. Deshalb die Frage nach der Höhendifferenz.

Ich hoffe ich habe den Zweck verständlich erklärt...



Hydrogeotest
hydrogeotestgmail.com
(Mailadresse bestätigt)

  07.12.2015
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von H2O vom 07.12.2015!  Zum Bezugstext

... ja so sehe ich das auch.
Zumal mir schleierhaft ist, worauf es rauslaufen soll.
Was ist der Zweck?
Fallbeschleunigung / Strömungsgeschwindigkeit ???

Zitat: "...vertikalen Grundwasserfluss in einem Bohrloch simulieren..."
30 m tief - ist der Boden in der sich die Bohrung befindet nicht zu 100% wasserundurchlässig, so gibt es Wasserverluste durch Infiltration in das umliegende Gebirge, ggf. kommt oben gar nichts an.

Auch deshalb die Frage, ob eine konkrete praktische Umsetzung dahinter steht.

Denn dann gibt es nicht nur theoretische Denkfehler, sondern auch jede Menge Punkte die bei der praktischen Umsetzung berücksichtigt werden müssen.

Ich hatte schon mal die Skizze korrigiert, wollt aber noch die Antwort abwarten.

Gruß


H2O
(gute Seele des Forums)

  07.12.2015
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Hydrogeotest vom 05.12.2015!  Zum Bezugstext

Die Skizze verwirrt mich mehr als sie zur Problemlösung beiträgt. Ist das Innerohr zum Außenrohr dicht? ist der Anschluß des Hochbehälters zum Innenrohr dicht? Ist das Außenrohr oben offen oder dicht? Wieso ist im Außenrohr überhaubt Wasser? Soll der Druck der Wassersäule indirekt über den Luftdruck weitergegeben werden, wie beispielsweise bei einem Heronsbrunnen?  
https://de.wikipedia.org/wiki/Heronsbrunnen

Irgendwo hängts bei mir

Gruß
H2O
Hydrogeotest
hydrogeotestgmail.com
(Mailadresse bestätigt)

  05.12.2015
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Geo vom 04.12.2015!  Zum Bezugstext

Formuliere ich mal meine letzte Frage etwas anders...

Theoretisches Gedankenspiel oder steht eine konkrete praktische Umsetzung dahinter?

Gruß
Geo
(Mailadresse bestätigt)

  04.12.2015
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Hydrogeotest vom 03.12.2015!  Zum Bezugstext

Das hat einen konkreten Hintergrund.
Ich möchte einen vertikalen Grundwasserfluss in einem Bohrloch simulieren und möchte dafür bestimmte Volumenströme verwenden.

Zur Vereinfachung habe ich mich erst einmal damit befasst das Wasser aus dem Behälter herauslaufen zu lassen. Tatsächlich ist der Behälter unten an einem Rohr angeschlossen, welches mit Wasser gefüllt ist und oben einen Abfluss hat (Wasser kommt unten rein und läuft oben ab).

Wenn ich Atmosphärendruck beim Zufluss und beim Abfluss annehme und den Druckverlust in den Leitungen vernachlässige, komme ich auf eine Formel um die Höhendifferenz bestimmen zu können:
h=Strömungsgeschwindigkeit²/2*Fallbeschleunigung

Die Strömungsgeschwindigkeit errechne ich mit dem Volumenstrom und der Querschnittsfläche.

Zur Veranschaulichung habe ich noch eine kleine Skizze gemacht. Ich hoffe sie hilft.

Gruß


Hydrogeotest
hydrogeotestgmail.com
(Mailadresse bestätigt)

  03.12.2015
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Geo vom 02.12.2015!  Zum Bezugstext

... die Öffnung von 2" ist zu groß!

Da werden breits bei minimaler Überdeckung mehr als 5m³/h ausfließen. Je höher der Wasserstand = je höher der Druck am Ausfluss = je höher der Abfluss

Theoretisches Gedankenspiel oder steht eine konkrete Anwendung dahinter?
Geo
(Mailadresse bestätigt)

  02.12.2015
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Hydrogeotest vom 01.12.2015!  Zum Bezugstext

Okay, danke schonmal. Aber wie berechne ich die Höhendifferenz um damit einen ausreichenden Druck zu erzeugen um 5m^3/h abfließen zu lassen?
Hydrogeotest
hydrogeotestgmail.com
(Mailadresse bestätigt)

  01.12.2015

Hallo

Zitat
"...und den Druck am Ablauf, welcher meiner Meinung nach von der Strömungsgeschwindigkeit abhängen müsste."

Falsch - die Höhendifferenz zw. Ablauf und Wasseroberfäche bestimmt den Druck am Auslauf.
10 m Wassersäule = ca. 1bar + Atmosphärendruck.
Die Größe des Behälters ist dabei egal.
Der jeweilige Wasserstand im Behälter ist entscheidend für den Druck am Auslauf. Fällt der Wasserstand, fällt der Druck.
Bedeutet also im Umkehrschluss, es muss genau so viel Wasser dem Behälter zugeführt werden, wie unten abfließt.

Der Durchmesser des Abflusses ist entscheident.
Bei Innendurchmesser von 2 Zoll hast du auf 100m gerade Rohrleitung gerade mal einen Druckverlust von ca. 0,1 bar.
Bei einem offenem 2 Zoll Abfluss tritt also kein Druckverlust auf, also wird da mehr als 5 m³/h frei auslaufen. Da brauch man nichts rechnen.
Strömungsgeschwindigkeit spielt bei der Berechnung keine Rolle.



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