Rohrreibung und Verlusthöhe: Übungsaufgaben mit Schritt-für-Schritt-Lösungen

Kostenlose Übungsaufgaben zu Rohrreibung und Verlusthöhe mit Skizzen, Tipps und vollständigen Musterlösungen. Jedes Mal neue Werte, in drei Stufen: Reynolds-Zahl, Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach, örtliche Verluste und Gesamtförderhöhe.

Kostenlose ÜbungsaufgabeLeicht
V = 0,8 m/sD = 50 mmν = 1,31 × 10⁻⁶ m²/s

Wasser mit 10 °C (ν = 1,31 × 10⁻⁶ m²/s) fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 0,8 m/s durch ein Rohr mit einem Innendurchmesser von 50 mm. Bestimme die Reynolds-Zahl Re.

V = 0,8 m/sD = 50 mmν = 1,31 × 10⁻⁶ m²/s
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Was du übst

  1. LeichtReynolds-Zahl
  2. MittelVerlusthöhe nach Darcy–Weisbach
  3. Schwerörtliche Verluste und Gesamtförderhöhe

Wichtige Formeln

Reynolds-Zahl
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Strömungsform
laminar unter Re ≈ 2000, turbulent über Re ≈ 4000
Mittlere Geschwindigkeit
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Örtliche Verluste
hm = ΣK·V²/(2g)
Typische K-Werte
Einlauf 0,5, Auslauf 1,0, 90°-Krümmer ≈ 0,3
Druckverlust
Δp = ρ·g·hf
Zwei offene Behälter
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Freier Auslauf
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Rohrreibung und Verlusthöhe von Grund auf lernen

Davor: Kontinuität und Bernoulli

1Was Druckhöhenverlust ist

Die Bernoulli-Gleichung setzt voraus, dass das Fluid reibungsfrei strömt. In einem realen Rohr reibt das Wasser an der Wand und an sich selbst, und ein Teil seiner Energie wird zu Wärme.

Ingenieure messen diese verlorene Energie als Höhe des Fluids, den Druckhöhenverlust, in Metern. Ein Druckhöhenverlust von 3 m bedeutet, dass das Wasser so viel Energie verloren hat, wie es bräuchte, um 3 m anzusteigen.

Du kannst ihn mit zwei dünnen Röhrchen (Standrohren) an einem waagerechten Rohr sichtbar machen. Das Wasser steigt im stromabwärts gelegenen Röhrchen weniger hoch. Der Unterschied ist der Druckhöhenverlust dazwischen.

hf​VLD

Der Druckhöhenverlust ist der Grund, warum lange Rohrleitungen Pumpen brauchen und warum ein Gartenschlauch einen schwächeren Strahl liefert, wenn er sehr lang ist.

Ein Druckhöhenverlust wird mit Δp = ρ · g · hf in einen Druckabfall umgerechnet. Für Wasser entspricht 1 m Druckhöhe etwa 9,81 kPa.

Selbsttest Wasser verliert entlang eines waagerechten Rohrs durch Reibung 2 m Druckhöhe. Wie groß ist der Druckabfall? (ρ = 1000 kg/m³, g = 9,81 m/s²)
  1. 19,6 kPa
  2. 196 kPa
  3. 2 kPa
  4. 9,81 kPa

Antwort: 19,6 kPa. Δp = ρ · g · hf = 1000 · 9,81 · 2 = 19 620 Pa = 19,6 kPa. Jeder Meter Wassersäule entspricht etwa 9,81 kPa.

2Reynolds-Zahl: laminar oder turbulent

Langsame Strömung in einem dünnen Rohr bewegt sich in glatten Schichten. Das ist laminare Strömung. Schnelle Strömung in einem weiten Rohr wirbelt und vermischt sich. Das ist turbulente Strömung.

Die Reynolds-Zahl sagt dir, welche von beiden vorliegt. Sie vergleicht den Schub des strömenden Fluids mit seiner Zähigkeit (Viskosität):

Re = V · D / ν = ρ · V · D / μ
  • V: die mittlere Geschwindigkeit in m/s, V = Q/A.
  • D: der Innendurchmesser in m.
  • ν: die kinematische Viskosität in m²/s (etwa 1,0 × 10⁻⁶ m²/s für Wasser bei 20 °C), oder μ: die dynamische Viskosität in Pa·s, die zusammen mit der Dichte ρ verwendet wird.

Re hat keine Einheit. Unterhalb von etwa 2000 ist die Strömung laminar. Oberhalb von etwa 4000 ist sie turbulent. Die meisten Wasserleitungen sind turbulent.

Selbsttest Wasser (ν = 1,0 × 10⁻⁶ m²/s) strömt mit 0,5 m/s durch ein Rohr mit einem Innendurchmesser von 20 mm. Wie groß ist die Reynolds-Zahl?
  1. 0,01
  2. 10 000 000
  3. 10 000
  4. 5000

Antwort: 10 000. Re = 0,5 · 0,020 / 10⁻⁶ = 10 000, also ist die Strömung turbulent. Mit dem Durchmesser in mm erhältst du 10 000 000, mit dem Radius 5000.

3Reibungsverlust und Einzelverluste

Der Reibungsverlust entlang eines geraden Rohrs ergibt sich aus der Darcy-Weisbach-Gleichung:

hf = f · (L / D) · V² / (2g)

Hier ist f die Darcy-Reibungszahl (in der Aufgabe gegeben, typisch 0,015 bis 0,03) und L die Rohrlänge. Der Term V²/(2g) ist die Geschwindigkeitshöhe.

Der Verlust wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Verdoppelst du den Durchfluss durch dasselbe Rohr, wird der Reibungsverlust viermal so groß.

Armaturen wie Krümmer, Ventile, der Einlauf aus einem Behälter und der Auslauf in einen Behälter verursachen zusätzliche Einzelverluste. Jede hat einen Verlustbeiwert K:

hm = ΣK · V² / (2g)

Typische Werte: ein scharfkantiger Einlauf K = 0,5, ein 90°-Krümmer etwa 0,3, der Auslauf in einen Behälter K = 1,0. Der Gesamtverlust ist hL = hf + hm.

Selbsttest Der Durchfluss durch ein Rohr verdoppelt sich. Um welchen Faktor ändert sich der Reibungsdruckhöhenverlust, wenn f gleich bleibt?
  1. 2
  2. 4
  3. 8
  4. ½

Antwort: 4. Doppelter Durchfluss bedeutet doppelte Geschwindigkeit, und hf hängt von V² ab. Der Verlust wird also 2² = 4-mal so groß.

4Das Verfahren Schritt für Schritt

  1. Rechne die Einheiten um: Durchmesser in m, Durchflüsse in m³/s (L/s ÷ 1000).
  2. Bestimme die Fläche A = π·D²/4 und die mittlere Geschwindigkeit V = Q/A.
  3. Berechne die Geschwindigkeitshöhe V²/(2g). Fast jede Formel in diesem Thema verwendet sie.
  4. Für den Strömungszustand bestimme Re = V·D/ν. Für den Reibungsverlust hf = f·(L/D)·V²/(2g).
  5. Addiere die Einzelverluste mit ΣK·V²/(2g). Rechne bei Bedarf mit Δp = ρ·g·h in einen Druckabfall um.

L/D ist oft eine große Zahl (1000 oder mehr). Berechne sie zuerst für sich, damit du siehst, dass sie sinnvoll ist.

5Ein durchgerechnetes Beispiel

Folge jedem Schritt. Versuche, den nächsten vorherzusagen, bevor du ihn öffnest.

Durchgerechnetes Beispiel

Wasser strömt mit 10 L/s durch ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 100 mm. Verwende die Darcy-Reibungszahl f = 0,02 und g = 9,81 m/s². Bestimme den Reibungsdruckhöhenverlust und den Druckabfall.

1

Zeichnen und umrechnen

hf​ = ?V200 m100 mm

Q = 10 L/s = 0,010 m³/s und D = 0,100 m.

2

Mittlere Geschwindigkeit

A = π · 0,1² / 4 = 0,007854 m²
V = Q / A = 0,010 / 0,007854 = 1,273 m/s
3

Geschwindigkeitshöhe und L/D

V² / (2g) = 1,273² / 19,62 = 0,0826 m
L / D = 200 / 0,1 = 2000
4

Darcy–Weisbach

hf = 0,02 · 2000 · 0,0826 = 3,31 m
5

Druckverlust

Bei einem waagerechten Rohr zeigt sich die verlorene Druckhöhe als Druckabfall:

Δp = 1000 · 9,81 · 3,305 = 32 400 Pa ≈ 32,4 kPa
6

Antwort prüfen

Re = 1,273 · 0,1 / 10⁻⁶ ≈ 127 000, also ist die Strömung turbulent, und eine konstante Reibungszahl von 0,02 ist sinnvoll.

Etwa 1,7 m Verlust pro 100 m Rohr ist eine normale Größenordnung für Wasser bei etwa 1 m/s.

Antwort

hf ≈ 3,31 m, das entspricht einem Druckabfall von etwa 32,4 kPa.

6Häufige Fehler

  • Das 2g oder das Quadrat von V in der Geschwindigkeitshöhe V²/(2g) vergessen.
  • Den Durchmesser in mm lassen, wodurch L/D tausendmal zu klein wird.
  • Den Durchfluss Q anstelle der Geschwindigkeit V verwenden. Rechne zuerst mit V = Q/A um.
  • Den Austrittsverlust (K = 1,0) doppelt zählen: einmal als Einzelverlust und einmal als Geschwindigkeitshöhe eines Strahls in einen Behälter.
  • Eine Druckhöhe in Metern angeben, wenn ein Druck gefragt ist, oder umgekehrt.
Selbsttest Wasser strömt mit 1 m/s durch ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 100 mm und f = 0,02. Wie groß ist der Reibungsdruckhöhenverlust? (g = 9,81 m/s²)
  1. 0,00102 m
  2. 1,02 m
  3. 2,04 m
  4. 20 m

Antwort: 1,02 m. hf = 0,02 · (100/0,1) · 1²/19,62 = 1,02 m. Die Division durch g statt durch 2g ergibt 2,04 m, das Weglassen von 2g ergibt 20 m, und D in mm ergibt 0,00102 m.

7So sehen Prüfungsaufgaben aus

  • Leicht: die Reynolds-Zahl. Bestimme aus der Geschwindigkeit oder dem Durchfluss, dem Durchmesser und der Viskosität (ν, oder ρ und μ) die Zahl Re und gib an, ob die Strömung laminar oder turbulent ist.
  • Mittel: Darcy-Weisbach. Bestimme den Reibungsdruckhöhenverlust hf oder den Druckabfall Δp für ein gegebenes Rohr, einen gegebenen Durchfluss und eine gegebene Reibungszahl.
  • Schwer: Einzelverluste und Gesamtdruckhöhe. Ein Rohr von einem Speicherbecken mit Einlauf, Krümmern und einem Ventil. Bestimme die für einen Durchfluss nötige Höhe des Speicherbeckens oder den Durchfluss zwischen zwei Speicherbecken.

Bei einem Rohr von einem Speicherbecken, das in einem freien Strahl endet, trägt der Strahl noch seine Geschwindigkeitshöhe: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g).

Zwischen zwei offenen Speicherbecken wird die Höhendifferenz allein durch die Verluste aufgezehrt: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g), wobei der Auslauf mit K = 1,0 in ΣK enthalten ist. Löse nach V auf, dann Q = A·V.

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Beispielaufgaben

Beispiel 1Leicht
Q = 5 L/sD = 50 mmν = 1,31 × 10⁻⁶ m²/s

Wasser mit 10 °C (ν = 1,31 × 10⁻⁶ m²/s) fließt mit 5 L/s durch ein Rohr mit einem Innendurchmesser von 50 mm. Bestimme die Reynolds-Zahl Re.

Q = 5 L/sD = 50 mmν = 1,31 × 10⁻⁶ m²/s

Gesucht: Re

Tipps anzeigen
  1. Bestimme zuerst die mittlere Geschwindigkeit: V = Q/A mit A = π·D²/4.
  2. Dann Re = V·D/ν.
  3. A = 0,001963 m², V = 2,546 m/s.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Rohrströmung: Die Reynolds-Zahl Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ unterscheidet laminare Strömung (Re unter etwa 2000) von turbulenter Strömung (über etwa 4000). Reibung entlang eines Rohrs kostet die Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Formstücke, Armaturen, Einlauf und Auslauf erzeugen zusätzlich örtliche Verluste hm = ΣK·V²/(2g). Zwischen zwei offenen Wasserspiegeln liefert die Energiegleichung Δz = hf + hm, einschließlich des Auslaufverlusts K = 1.

Mittlere Geschwindigkeit

A = π·0,05²/4 = 0,001963 m²
V = Q/A = 0,005/0,001963 = 2,546 m/s

Reynolds-Zahl

Re = V·D/ν = 2,546·0,05/(1,31 × 10⁻⁶) = 97194

Antwort

Re = 97194

Re liegt über 4000, also ist die Strömung turbulent.

Beispiel 2Mittel
V = 1,1 m/sD = 100 mmL = 400 mf = 0,015

Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 1,1 m/s durch ein 400 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 100 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

V = 1,1 m/sL = 400 mD = 100 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²

Gesucht: hf (m)

Tipps anzeigen
  1. Darcy–Weisbach: hf = f·(L/D)·V²/(2g).
  2. Setze D in Metern ein: D = 0,1 m.
  3. L/D = 4000, V²/(2g) = 0,06167 m.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Rohrströmung: Die Reynolds-Zahl Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ unterscheidet laminare Strömung (Re unter etwa 2000) von turbulenter Strömung (über etwa 4000). Reibung entlang eines Rohrs kostet die Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Formstücke, Armaturen, Einlauf und Auslauf erzeugen zusätzlich örtliche Verluste hm = ΣK·V²/(2g). Zwischen zwei offenen Wasserspiegeln liefert die Energiegleichung Δz = hf + hm, einschließlich des Auslaufverlusts K = 1.

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 1,1²/(2·9,81) = 0,06167 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(400/0,1)·1,1²/(2·9,81) = 3,7 m

Antwort

hf = 3,7 m
Beispiel 3Schwer
K = 2freier AuslaufH = ?L = 150 m, D = 300 mm, f = 0,0223× Krümmer (K = 0,3)

Ein 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm (Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022) führt von einem offenen Behälter weg und tritt als freier Strahl ins Freie aus. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 3 Krümmer (je K = 0,3) und ein Ventil (K = 2). Verwende g = 9,81 m/s². Wie hoch H muss der Wasserspiegel im Behälter über dem Rohrauslauf liegen, damit der Durchfluss 200 L/s beträgt?

Q = 200 L/sL = 150 mD = 300 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2

Gesucht: H (m)

Tipps anzeigen
  1. Energiegleichung vom Wasserspiegel des Behälters (in Ruhe) bis zum Auslauf (Atmosphärendruck, Geschwindigkeit V).
  2. H = V²/(2g) + (f·L/D + ΣK)·V²/(2g).
  3. V = 2,829 m/s, V²/(2g) = 0,408 m.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Rohrströmung: Die Reynolds-Zahl Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ unterscheidet laminare Strömung (Re unter etwa 2000) von turbulenter Strömung (über etwa 4000). Reibung entlang eines Rohrs kostet die Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Formstücke, Armaturen, Einlauf und Auslauf erzeugen zusätzlich örtliche Verluste hm = ΣK·V²/(2g). Zwischen zwei offenen Wasserspiegeln liefert die Energiegleichung Δz = hf + hm, einschließlich des Auslaufverlusts K = 1.

Geschwindigkeit

V = Q/A = 0,2/0,07069 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,022·150/0,3 = 11
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 = 3,4

Energiegleichung

Der austretende Strahl hat noch seine Geschwindigkeitshöhe; sie ist kein Verlust, muss aber aufgebracht werden.

H = (1 + 11 + 3,4)·0,408 = 6,284 m

Antwort

H = 6,284 m

Fragen und Antworten

Rohrreibung und Verlusthöhe: Worum geht es?

Die Bernoulli-Gleichung setzt voraus, dass das Fluid reibungsfrei strömt. In einem realen Rohr reibt das Wasser an der Wand und an sich selbst, und ein Teil seiner Energie wird zu Wärme.

Ingenieure messen diese verlorene Energie als Höhe des Fluids, den Druckhöhenverlust, in Metern. Ein Druckhöhenverlust von 3 m bedeutet, dass das Wasser so viel Energie verloren hat, wie es bräuchte, um 3 m anzusteigen.

Rohrreibung und Verlusthöhe: Wie löst man die Aufgaben Schritt für Schritt?

Rohrströmung: Die Reynolds-Zahl Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ unterscheidet laminare Strömung (Re unter etwa 2000) von turbulenter Strömung (über etwa 4000). Reibung entlang eines Rohrs kostet die Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Formstücke, Armaturen, Einlauf und Auslauf erzeugen zusätzlich örtliche Verluste hm = ΣK·V²/(2g). Zwischen zwei offenen Wasserspiegeln liefert die Energiegleichung Δz = hf + hm, einschließlich des Auslaufverlusts K = 1.

Rohrreibung und Verlusthöhe: Welche Fehler passieren am häufigsten?
  • Die Querschnittsfläche eines Rohrs ist A = π·D²/4, nicht π·D².
  • π·D²/4 verwendet den Durchmesser. Setzt man dort den Radius ein, wird die Fläche viermal zu klein.
  • Rechne zuerst L/s in m³/s um: 1 L/s = 0,001 m³/s.
Rohrreibung und Verlusthöhe: Was wird geübt?
  • Leicht: Reynolds-Zahl
  • Mittel: Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach
  • Schwer: örtliche Verluste und Gesamtförderhöhe

Jede Aufgabe hat neue Werte, so lernst du den Lösungsweg statt einer Antwort. Du hängst fest? Öffne zuerst einen kleinen Tipp und die vollständige Erklärung erst, wenn du sie brauchst.

So funktioniert das Üben

  • Jede Aufgabe hat neue Werte, so lernst du den Lösungsweg statt einer Antwort.
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  • Dein Fortschritt, deine Fehler und gespeicherten Aufgaben bleiben erhalten, damit du vor der Prüfung wiederholen kannst.

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