Die Rohrrauigkeit gibt die Rauheit der Oberfläche innerhalb eines Rohres an und ist ein wichtiger Parameter, um verschiedene Berechnungen, wie z. B. den Druckverlust oder den Strömungsverlust innerhalb einer Rohleitung durchzuführen. Die Oberfläche verschiedener Materialien zeichnet sich durch unterschiedliche Unebenheiten und rauen Stellen aus. So besitzen extrudierte Kunststoffrohre aus PVC-U oder PE eine wesentlich geringere Rauigkeit als Rohre aus Steingut oder Metallrohre, wie Edelstahlrohre, welche bereits durch den Herstellungsprozess eine unebenere Oberfläche aufweisen.
Was genau ist die Rohrrauigkeit und wie wird diese angegeben?
Die Rohrrauigkeit ist ein Maß für die Oberflächenbeschaffenheit von Rohren und beschreibt, wie stark die Rohrinnenwand durch raue Stellen und Unebenheiten beeinflusst wird. Diese raue Struktur führt dazu, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in der Rohrleitung beeinflusst wird. Je rauer die Innenwand des Rohres ist, desto stärker wird die Strömung des Fluids aufgrund von kleinsten Verwirbelungen beeinflusst und desto höher ist der Druckverlust in der Rohrleitung.
Die Rohrrauigkeit wird in der Regel als absolute Rauheit oder als dimensionslose Rauheit angegeben. Die absolute Rauheit ist die Höhe der Unebenheiten auf der Rohroberfläche, gemessen in Metern (oder anderen metrischen Einheiten wie z. mm). Die dimensionslose Rauheit wird durch die absolute Rauheit durch den Rohrradius dividiert und ist somit eine dimensionslose Kennzahl.
Bedeutung der Rohrrauigkeit in der Fluidtechnik
Die Rohrrauigkeit ist ein wichtiger Parameter in der Fluidmechanik, da sie direkt den Druckverlust und den Durchfluss in Rohrleitungen beeinflusst. Ein höherer Wert der Rohrrauigkeit führt zu einem höheren Druckverlust und einem niedrigeren Durchfluss. Dies liegt daran, dass die raue Oberfläche des Rohres die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids behindert und somit den Druckverlust erhöht.
Die Rohrrauigkeit ist auch wichtig für die Auslegung von Rohrleitungen und Pumpen. Wenn die Rohrrauigkeit zu hoch ist, muss die Rohrleitung größer dimensioniert werden, um den gleichen Durchfluss zu erreichen. Aufgrund der größeren Kontaktfläche im Verhältnis zum Volumen, wirkt sich die Rohrrauigkeit bei kleinere Rohrdimensionen stärker aus als bei größeren Durchmessern, da die Reibungen und Verwirbelungen des Fluids hier stärker ausfallen.
Berechnung der Rohrrauigkeit
Die Rohrrauigkeit kann auf verschiedene Arten berechnet werden, abhängig von der Art des Rohres und der Oberflächenbeschaffenheit. Eine Möglichkeit besteht darin, die Rohrrauigkeit aus Tabellenwerten abzulesen, die auf empirischen Messungen basieren.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Rohrrauigkeit zu berechnen, indem man die absolute Rauheit des Rohres kennt. Die absolute Rauheit kann durch Messung der Oberfläche mit einem Messschieber oder einer Profilometer-Sonde bestimmt werden. Die dimensionslose Rauheit kann dann durch Division der absoluten Rauheit durch den Rohrradius berechnet werden.
Es gibt zudem empirische Formeln, die die Rohrrauigkeit für bestimmte Arten von Rohren und Oberflächenbereiche berechnen können. Die bekannteste Formel für die Berechnung der Rohrrauigkeit ist die Colebrook-White-Gleichung, die jedoch für komplexe Rohrsysteme aufwendig zu berechnen ist.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Rohrrauigkeit durch Fließversuche in einer Testanordnung zu messen. Hierbei wird die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids gemessen und der Druckverlust in der Rohrleitung bestimmt. Durch den Vergleich der gemessenen Werte mit theoretischen Berechnungen kann dann die Rohrrauigkeit bestimmt werden.
Colebrook-White-Gleichung
Mit der „Colebrook-White-Gleichung“ kann die Rauheit eines Rohres berechnet werden. Für die Berechnung werden noch weitere Werte benötigt, wie z. B. die Viskosität des Fluids, die Rohrlänge, die Fluiddichte und die Durchflussmenge benötigt. Die Formel sieht dabei wie folgt aus:
1 / √f = -2 log ((ε/D) / 3.7 + 2.51 / (Re √f))
f ist dabei die Darcy-Weisbach-Reibungszahl, ε die Rohrrauigkeit in m, D der Rohrdurchmesser in m und Re die Reynolds-Zahl. Die Reynolds-Zahl wird wie folgt berechnet:
Re = (4 * Q) / (π * D * ν)
wobei Q der Volumenstrom in m³/s und ν die kinematische Viskosität des Fluids in m²/s ist.
Die Darcy-Weisbach-Reibungszahl ist eine dimensionslose Größe, die den Druckverlust aufgrund der Reibung in einem Rohr beschreibt und kann wie folgt berechnet werden, wobei statt der Variable „f“ häufig auch „λ“ verwendet wird:
ΔP = f * (L/D) * (ρ * V^2)/2
ΔP ist dabei der Druckverlust entlang der Rohrleitung, L die Länge der Rohrleitung, D der Rohrdurchmesser, ρ die Dichte der Flüssigkeit und V die Geschwindigkeit der Flüssigkeit.
Alternativ können Sie die „Darcy-Weisbach-Reibungszahl“ auch einfach aus der folgenden Tabelle entnehmen, welche die Reibungszahl für verschiedene Materialien angibt. Die Werte sind aus verschiedenen Quellen zusammengetragen und basieren auf experimentelle Daten. Die Reibungszahlen dienen deshalb lediglich als Richtwerte. Je nach Hersteller und nach Herstellungsverfahren können gleiche Materialien unterschiedliche Rohrrauigkeiten aufweisen. Zudem beeinflussen auch andere Faktoren wie etwa die Rohrform (eckig, oval, rund, etc.) oder Winkel und andere Rohrelemente den Durchfluss einer Rohrleitung.
| Rohrmaterial | Reibungszahl |
|---|---|
| Stahl: | 0,003-0,008 |
| Edelstahl: | 0,001-0,005 |
| Kupfer: | 0,0015-0,006 |
| Gussrohr: | 0,02-0,06 |
| Aluminium: | 0,0015-0,006 |
| Messing: | 0,001-0,005 |
| Polyethylen (PE): | 0,0015-0,006 |
| Polyvinylchlorid (PVC): | 0,002-0,007 |
| Glasfaser verstärkter Kunststoff (GFK): | 0,002-0,007 |
| Beton: | 0,01-0,03 |
Tabelle für verschiedene Rohrrauigkeiten
Die Rohrrauigkeit hängt von vielen Faktoren ab, wie z.B. der Oberflächenbeschaffenheit des Rohrmaterials, der Art der Strömungsbedingungen und der Art der Flüssigkeit oder des Gases, das durch das Rohr fließt. Daher kann die Rohrrauigkeit für dasselbe Material in verschiedenen Anwendungen unterschiedlich sein. Hier ist jedoch eine Liste mit den typischen Rohrrauigkeiten für einige Rohrmaterialien. Die Rohrrauigkeit wird üblicherweise in metrischen Einheiten angegeben, wie zum Beispiel Millimeter (mm) oder Mikrometer (µm).
| Rohrmaterial | Rohrrauigkeit in mm |
|---|---|
| Stahl: | 0,05-0,15 mm |
| Edelstahl: | 0,001-0,02 mm |
| Kupfer: | 0,0015-0,01 mm |
| Gussrohr: | 0,26-1,5 mm |
| Aluminium: | 0,0015-0,03 mm |
| Messing: | 0,001-0,01 mm |
| Polyethylen (PE): | 0,001-0,01 mm |
| Polyvinylchlorid (PVC): | 0,002-0,05 mm |
| Glasfaser verstärkter Kunststoff (GFK): | 0,001-0,1 mm |
| Beton: | 0,2-1,5 mm |
Es ist wichtig zu beachten, dass die Rohrrauigkeit je nach Hersteller, Rohrgröße und Anwendung variieren kann. In der Praxis werden oft empirische Korrelationen oder experimentelle Daten verwendet, um die Rohrrauigkeit zu bestimmen. Die Umrechnung in andere Maße erfolgt entsprechend multipliziert mit 10 für cm und multipliziert mit 100 für m.
Mikroorganismen und Korrosion
Die Rohrrauigkeit ist ein nicht zu unterschätzender Faktor bei der Auswahl der Rohre für die Lebensmitteltechnik oder für Trinkwasserleitungen, da die raue Oberfläche die Bildung von Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze und auch die Korrosion begünstigen kann. Durch die raue Oberfläche bilden sich an der Rohrwand feinste strömungsfreie Stellen, wo sich Mikroorganismen gut einnisten können, ohne aus der Leitung gespült zu werden.
Dies ist auch ein häufiges Phänomen bei älteren Rohrleitungen, in denen sich an den Innenwänden Ablagerungen festgesetzt haben. Rohre mit einer hohen Rauigkeit begünstigen allerdings die Bildung von Ablagerungen zusätzlich.