Für die meisten Wasser- und HVAC-Ströme in Edelstahlrohren beträgt typischerweise ein praktischer Darcy-Reibungsfaktor f ≈ 0,018–0,022 (völlig turbulent, Bereich „glatt bis leicht rau“). Für höhere Reynolds-Zahlen (sehr schnelle Strömung) tendiert f häufig in Richtung ~0,015–0,018 ; für niedrigere turbulente Reynolds-Zahlen (nahe 5.000–20.000) kann f sein ~0,03–0,04 .
Um genau zu sein, berechnen Sie f aus der Reynolds-Zahl (Re) und der Rauheit von Edelstahl (ε) mithilfe einer expliziten Korrelation (z. B. Swamee-Jain oder Haalund) oder der Colebrook-Gleichung.
Reibungsfaktor für Edelstahlrohre: Welcher Wert ist zu verwenden?
Benutzen Sie die Darcy-Reibungsfaktor (auch Darcy-Weisbach-Reibungsfaktor genannt), es sei denn, in Ihrem Diagramm oder Ihrer Software steht ausdrücklich „Fanning“. Der Darcy-Faktor ist 4× der Fanning-Faktor.
Eine schnelle, vertretbare Schätzung, wenn Sie den genauen Durchfluss noch nicht kennen, ist:
- Wasser in typischen Edelstahlrohren (Re ~ 50.000–300.000): f ≈ 0,018–0,022
- Sehr hohes Re (~1.000.000): f nähert sich oft an ~0,015–0,018
- Niedrigere turbulente Re (~5.000–20.000): f häufig ~0,03–0,04
Verfeinern Sie dann die Berechnung mit den folgenden Schritten, sobald Sie Durchmesser, Durchflussrate und Flüssigkeitsviskosität kennen.
Rauheit von Edelstahl: der Input, der das Ergebnis bestimmt
Bei turbulenter Strömung hängt der Reibungsfaktor stark davon ab relative Rauheit (ε/D). Edelstahl ist im Allgemeinen „glatt“, aber das angenommene ε ist immer noch wichtig.
| Oberfläche / Annahme | Absolute Rauheit, ε (mm) | Absolute Rauheit, ε (m) | Wann zu verwenden |
|---|---|---|---|
| Sauberer Edelstahl (gängige Designannahme) | 0.015 | 1,5×10⁻⁵ | Neues/sauberes Rohr, konservative, aber glatte Grundlinie |
| Leicht gealtert/Filmbildung (Faustregel) | 0.03 | 3,0×10⁻⁵ | Wenn Sie Einlagen oder einen weniger kontrollierten Service erwarten |
| Unbekannter Zustand (Designrand) | 0.045 | 4,5×10⁻⁵ | Wenn Sie zusätzlichen Konservatismus brauchen |
Berechnen Sie die relative Rauheit als ε/D mithilfe von Innendurchmesser (keine Nenngröße). Selbst kleine Änderungen von D oder ε/D können f im vollständig turbulenten Bereich merklich verändern.
Schritt-für-Schritt-Berechnung (Re → f), der Sie vertrauen können
1) Berechnen Sie die Reynolds-Zahl
Für ein vollständig kreisförmiges Rohr:
Re = (V·D)/ν
- V = Durchschnittsgeschwindigkeit (m/s)
- D = Innendurchmesser (m)
- ν = kinematische Viskosität (m²/s)
2) Wählen Sie die richtige Regel für das Strömungsregime
- Laminar (Re < 2300): f = 64/Re
- Übergangszeit (2300–4000): „Präzision“ vermeiden; Bestätigen Sie mit Testdaten oder verwenden Sie konservative Margen
- Turbulent (Re > 4000): Verwenden Sie ε/D mit einer expliziten Korrelation
3) Turbulente Strömung: praktische explizite Formeln
Zwei weit verbreitete explizite Optionen (Darcy f):
- Swamee–Jain: f = 0,25 / [log10( (ε/(3,7D)) (5,74/Re^0,9) )]^2
- Haaland: 1/√f = -1,8·log10( [ (ε/(3,7D))^1,11 ] [ 6,9/Re ] )
Wenn Sie in Software iterieren, lautet die klassische Referenz Colebrook (implizit):
1/√f = -2·log10( (ε/(3.7D)) (2.51/(Re·√f)) )
Arbeitsbeispiel: Reibungsfaktor und Druckabfall von Edelstahlrohren
Nehmen Sie Wasser mit einer Temperatur von etwa 20 °C an und reinigen Sie rostfreie Oberflächen ε = 0,015 mm (1,5×10⁻⁵ m) und einem Rohrinnendurchmesser D = 0,0525 m (ungefähr ein 2-Zoll-Schedule-40-ID). Durchflussrate Q = 50 gpm (0,003154 m³/s).
Berechnen Sie Geschwindigkeit und Reynolds-Zahl
- Fläche A = πD²/4 = 0,002165 m²
- Geschwindigkeit V = Q/A = 1,46 m/s
- Kinematische Viskosität ν ≈ 1,0×10⁻⁶ m²/s
- Re = (V·D)/ν ≈ 7,6×10⁴
- Relative Rauheit ε/D ≈ 2,86×10⁻⁴
Berechnen Sie den Reibungsfaktor (Swamee–Jain)
Darcy-Reibungsfaktor f ≈ 0.0203
Übersetzen Sie f in Druckverlust (Darcy–Weisbach)
Für Länge L = 100 m, Dichte ρ ≈ 998 kg/m³:
ΔP = f·(L/D)·(ρV²/2) ≈ 41 kPa pro 100 m (ca 4,2 m Wassersäule pro 100 m).
Kurzübersichtstabelle: Reibungsfaktor von Edelstahl im Vergleich zur Reynolds-Zahl
Die folgenden Werte gehen davon aus ε = 0,015 mm and D = 0,0525 m (ε/D = 2,86×10⁻⁴), unter Verwendung der Swamee-Jain-Korrelation. Verwenden Sie dies, um Ihre Ergebnisse auf Plausibilität zu überprüfen.
| Reynolds-Zahl (Re) | Darcy-Reibungsfaktor (f) | Typische Interpretation |
|---|---|---|
| 5.000 | 0.038 | Geringe Turbulenz; f immer noch relativ hoch |
| 10.000 | 0.031 | Früh turbulent; empfindlich gegenüber Re |
| 50.000 | 0.0219 | Gemeinsamer Designbereich für gepumptes Wasser |
| 100.000 | 0.0194 | Mitte turbulent; f stabilisiert sich |
| 1.000.000 | 0.0156 | Sehr turbulent; nähert sich rauheitskontrolliertem Verhalten |
Häufige Fallstricke, die falsche Reibungsfaktoren verursachen
- Verwendung der Nennrohrgröße anstelle des Innendurchmessers: f hängt von ε/D ab und der Druckverlust hängt von L/D ab, daher ist der Innendurchmesser doppelt von Bedeutung.
- Mischen von Darcy- und Fanning-Reibungsfaktoren: Wenn Ihr Ergebnis um das Vierfache daneben zu sein scheint, ist dies der übliche Grund.
- Flüssigkeitstemperatur ignorieren: Viskositätsänderungen Re; kälteres Wasser erhöht ν und kann f erhöhen.
- Vorausgesetzt, Edelstahl ist immer „perfekt glatt“: Schweißnähte, Ablagerungen oder Produktansammlungen können die Verwendung eines höheren ε als bei neuen, sauberen Rohren rechtfertigen.
- Erwarten Sie hohe Präzision im Übergangsfluss: Behandeln Sie 2300–4000 als unsicher und planen Sie mit Spielraum.
Fazit: Edelstahlrohre geben oft nach f etwa 0,02 in üblichen turbulenten Wasserdiensten, aber die zuverlässigste Zahl ergibt sich aus Re und ε/D unter Verwendung einer Standardkorrelation.
