Der Volumenstrom ist eine physikalische Größe, welche die Fließmenge eines Stoffes pro Zeiteinheit beschreibt. Er ist eine zentrale Größe in der Luft- und Klimatechnik und entscheidend für die Effizienz, Leistungsfähigkeit und Regelbarkeit technischer Anlagen. Um den perfekten Volumenstrom zu erreichen, gibt es unterschiedliche Methoden zur Berechnung, auf die im Folgenden näher eingegangen wird.

Was ist der Volumenstrom?

Der Volumenstrom ist ein zentraler Begriff in der Luft- und Verfahrenstechnik und beschreibt die Menge eines Fluids (sei es Flüssigkeit oder Gas), die in einer definierten Zeiteinheit durch einen Querschnitt strömt und dadurch in Bewegung versetzt wird. Das bedeutet, dass der Volumenstrom Q das bewegte Volumen V über die Zeit t hinweg beschreibt.

• V̇: Volumenstrom  
• V: Volumen 
• t: Zeit

Welche Bedeutung hat der Volumenstrom?

Der Volumenstrom beschreibt die Menge eines Mediums (beispielsweise Luft), die innerhalb einer bestimmten Zeit durch ein System strömt. Er ist ein zentraler Leistungsparameter in der Lufttechnik und spielt eine entscheidende Rolle für die Effizienz von Ventilatoren, Klimaanlagen und prozesslufttechnischen Anlagen. Wie hoch der Volumenstrom ist, hängt zum einen von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und zum anderen von der Querschnittsfläche des Strömungskanals ab. Mit anderen Worten: Je höher also die Strömungsgeschwindigkeit oder je größer die Fläche, desto höher der Volumenstrom.

Volumenstromtechnik von LTG

Der Volumenstrom spielt auch bei unseren Systemlösungen eine entscheidende Rolle. Ob in raumlufttechnischen Anlagen, in der Prozesslufttechnik oder bei der Klimatisierung ganzer Gebäude: Entscheidend ist, dass die richtige Luftmenge zur richtigen Zeit am richtigen Ort zur Verfügung steht.

Genau dafür bieten wir abgestimmte Komponenten und Systeme – darunter Axial- und Radialventilatoren zur Erzeugung des Luftstroms sowie Volumenstromregler, mit denen sich der Luftvolumenstrom präzise und unabhängig von Druckschwankungen steuern lässt. So entsteht ein Zusammenspiel aus zuverlässiger Luftförderung und bedarfsgerechter Regelung – für energieeffiziente und komfortable Lösungen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen.

Berechnung des Volumenstroms

Um den Volumenstrom Q zu berechnen, gibt es unterschiedliche Varianten der Volumenstrom Formel, was jeweils von der spezifischen Anwendung abhängig ist.

1. Über Volumen und Zeit

• V: Volumen
• t: Zeit

Diese Formel beschreibt den Volumenstrom, also die Menge eines Fluids, die in einer bestimmten Zeit durch einen Punkt fließt. Dabei ist V das Volumen des durchströmten Stoffes und t die benötigte Zeit.

2. Über Querschnittsfläche und Strömungsgeschwindigkeit

• A: Querschnittsfläche
• v: Strömungsgeschwindigkeit

Der Volumenstrom kann außerdem als Produkt der Querschnittsfläche A und der Strömungsgeschwindigkeit v beschrieben werden. Hierbei gibt A die Fläche an, durch die das Fluid strömt, und v die Geschwindigkeit, mit der es fließt. Diese Formel zeigt, dass ein größerer Querschnitt oder eine höhere Geschwindigkeit den Volumenstrom erhöht.

3. Über Massenstrom und Dichte

• m: Massenstrom
• ρ: Dichte des Mediums

Der Massenstrom m gibt die Masse eines Fluids an, die pro Zeiteinheit durchfließt, wohingegen ρ die Dichte des Fluid darstellt. Diese Formel verbindet die durchfließende Masse mit der Dichte des Mediums, um den Volumenstrom zu berechnen.

4. Mit dem Hagen-Poiseuille-Gesetz

• r: Innenradius des Rohrs
• η: Dynamische Viskosität des Fluids
• l: Länge des Rohrs
• Δp: Druckdifferenz zwischen den Enden des Rohrs

Dieses Gesetz beschreibt den Volumenstrom durch ein Rohr, was abhängig vom Rohrradius r, der dynamischen Viskosität η, der Rohrlänge l und der Druckdifferenz Δp ist. Es zeigt, dass der Volumenstrom stark vom Radius des Rohrs abhängt: Ein größerer Rohrdurchmesser führt dementsprechend zu einem höheren Volumenstrom.

5. Über Wärmestrom, Dichte und spezifische Wärmekapazität

• Q: Wärmestrom
• ρ: Dichte des Mediums
• c: spezifische Wärmekapazität
• θ: Temperaturdifferenz

Diese Formel beschreibt, wie viel Wärmeenergie (Wärmestrom Q) benötigt wird, um die Temperatur eines Mediums zu erhöhen. Dabei hängt die benötigte Energie von der Dichte ρ, der spezifischen Wärmekapazität c des Mediums und der Temperaturänderung θ ab. Einfach gesagt, je dichter das Medium ist, je mehr Wärme es aufnehmen kann und je größer die gewünschte Temperaturerhöhung ist, desto mehr Wärme muss zugeführt werden.

Einheit des Volumenstroms

Der Volumenstrom wird in der Regel in Kubikmetern pro Sekunde (m³/s) gemessen. Je nach Anwendung können auch andere Einheiten verwendet werden. Beispielsweise wird in der Wassertechnik oft die Einheit Liter pro Sekunde (L/s) verwendet, wohingegen in der Lufttechnik auch üblich ist, den Volumenstrom in Kubikmetern pro Stunde (m³/h) zu messen, um größere Strömungsraten darzustellen, insbesondere bei Belüftungsanlagen oder Luftströmen.

Kontinuitätsgleichung – Zusammenhang zwischen Querschnitt und Strömungsgeschwindigkeit

Die Kontinuitätsgleichung besagt, dass bei konstant bleibender Dichte der Volumenstrom in einem unverzweigten System an jeder Stelle gleich bleibt. 

Zwischen der Querschnittsfläche eines Luftkanals und der Luftgeschwindigkeit besteht eine negative Korrelation. Wenn sich der Querschnitt vergrößert, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit ab. Bei einer Verengung des Kanals hingegen strömt die Luft schneller. Diese physikalische Beziehung ist besonders relevant bei der Planung und Dimensionierung von Luftkanälen. Eine durchdachte Auslegung trägt nicht nur zur Effizienz der gesamten Anlage bei, sondern hilft auch dabei, strömungsbedingte Geräusche zu minimieren, die durch Reibungseffekte entstehen können.

Unterschiede zwischen inkompressiblen und kompressiblen Fluiden

Für inkompressible Fluide, wie Flüssigkeiten, bleibt die Dichte nahezu unverändert, sodass der Volumenstrom auch bei Querschnittsänderungen erhalten bleibt. Bei Gasen, die kompressibel sind, können sich hingegen Dichte und Druck verändern.

Die Kontinuitätsgleichung ist ein zentraler Parameter in der Luft- und Verfahrenstechnik und bildet die Grundlage für das Verständnis und die Optimierung von Strömungssystemen in verschiedenen Anwendungen.

Praktische Anwendung des Volumenstroms

Der Volumenstrom findet in vielen technischen Anwendungen Verwendung, besonders bei der Steuerung von Luft- oder Flüssigkeitsströmen. Ein praktisches Beispiel ist der Volumenstromregler, der in Belüftungsanlagen eingesetzt wird. Er regelt die Menge an Luft, die durch das System strömt, um eine konstante Luftqualität und -temperatur zu gewährleisten. Durch die präzise Anpassung des Volumenstroms kann der Regler die Energieeffizienz optimieren und sicherstellen, dass die Luftverteilung gleichmäßig und ohne unnötige Energieverluste erfolgt. 

Kurz zusammengefasst: Volumenstrom

Der Volumenstrom ist eine fundamentale physikalische Größe, die angibt, welche Menge eines Mediums innerhalb einer bestimmten Zeit durch eine definierte Fläche strömt. Seine Berechnung erfolgt meist über das Produkt aus Strömungsgeschwindigkeit und Querschnittsfläche und ist essenziell für die Analyse und Steuerung von Strömungsprozessen und findet in zahlreichen technischen Anwendungen praktische Bedeutung, wodurch er eine wesentliche Rolle in der Strömungslehre spielt.