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Physik der Wasserkraft; Kontinuität, Leistung, Bernoulli


CC-BY-NC-SA 3.0

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zurWiederholungdie elementare Physik die man dann bei der Wasserkraft brauchtwir fangen an mit demKontinuitätsgesetzwir habenirgend ein System von Leitungenund Bindungen wie auch immer man es aber immer irgend einen Unsinnirgend ein mehr oder minder komisches Systemvon Rohren oder was auch immer da fließtein bestimmter Volumenstromdurchwenn das jetzt Wasser ist was können Sie sagenbeginnend mit dem StimmvolumenHeinsohn sowie Kubikmeter pro Sekunde gehen sie reinin ein Rohrsystemleitungssystemdas wissen Sieschon bei Geschwindigkeiten Querschnittsflächenund Einzel weiter zurückder Volumenstrom muss überall derselbe sein wenn sie mit drei zwanzig Kubikmeter pro Sekunde vorne reingehen müssen sehenden auch etwa zwanzig Kubikmeter pro Sekunde wieder rausgehenoder sie habenein Reservoiroder anderen weiteren Zufluss an das kanns nicht sein der Volumenstrom muss überall derselbe sein schwierig wird sie in der Mitte wenn ichjetzt Messe geht das vielleicht noch da musste sie sehr Volumenstromsein Gewissen jetzt hier den Volumenstromfünfundzwanzigsternatürlichmüsste mir angucken wiedenn die Flussrichtungist und dannden Volumenstrommir natürlich senkrecht zum Essengroß X an der Stelle überall derselbe Volumenstrom und so wollen Kuh gleich konstantdas ist eigentlich die Grundidee von dem Qualitätsgesetzich verlierekein Wasser und ich gewinne kein Wasser überall muss ich den selben Volumenstromhabenes jetzt aber cool das soll der Volumenstromsein V Punkt ist der bisher bei unsum die Wasserkraft geht's so Punkt Details der Volumenstrom gerne Kuh zur Allgemeinverfügungals es ist nichtgemeint die Ladung dir auch das vom Symbol Q hat und es ist nicht gemeintdie Wärme die auch das Formelsymbol?? hatdann müssen vorsichtig sein es nicht durcheinander geht die Größe der VolumenstromGemeinde in diesem Spieljetzt kann man sagen aber wenn also der Volumenstrom überall derselbe sein muss dann heißt es ich habedas die Querschnittsflächemaldie Geschwindigkeitkonstant sein muss bei dieser Volumenstromnichts anderes ist ich habe ?? dazwischenals Querschnittsflächemal Geschwindigkeitdieses Produkten sollte konstant sein sie spätestens an dieser Stelle wesentlichen bisschen heikelBeistrich welche Geschwindigkeitwas ist die Geschwindigkeitmeiner Stelle eher klein unter anderem Sevilla großwahrscheinlich müsse damit integralen und ähnlichen Sprints in ArbeitenKomma normalerweiseist klar was die Geschwindigkeit ist da was die Querschnittsflächemüssen Vereinigungen die senkrechtdie Gemüse wann aus senkrecht sondern der Lauf nicht die Querschnittsfläche messendie Geschwindigkeitsenkrecht zur Querschnittsfläche laufendass es das Qualitätsgesetzwenn Sie eine große Kirchesfächer haben musste Geschwindigkeit klein sein und umgekehrtwenn sie eine einzige Maschine betrachten mit einem einzigen Stromvon Maschine zu Maschine kann ?? durch verschieden seinsoll ?? Randnotiznoch machenich rede hier von Wasserkraftwas ich hier braucheist dass das Medium was ich da habe in Kongress sieben ist Bedingungdas Medium was ich hier benutze das Fluidoder so schon vor das Fluiddie Flüssigkeit oder das Gas natürlich Flüssigkeit Wasserdas fluide ist in Kongress Siebelsie können Druck ausüben auf das fluide des behält sein Volumenauch unter Druckdas ist die Bedingung die ?? habesich vor sie haben in der Mitte hier irgend einen hohen Druck meinerseits mit Luftdann für die Luft natürlich an Volumenbestimmt nicht mehr der Volumenstrom würde sinkendas geht für Wasseres geht nächstes Semester in der Gebäudeautomationauch für Luft bei Klimaanlagengibt's auch für Luft Komma praktisch überall den gleichen Druck hat aber das müssen sie anders überlegen also könnte das Gesetz in dieser Form für inkompatiblefluideGewürze das Ei nicht berücksichtigenwennsie mit Luft arbeitenundbetrachten wollen dass die Luft kompatibelist was müssten sie stattdessen sich angucken?? S siebenwill ich nicht Kubikmeter pro Sekundebetrachtenden Volumenstrom betrachten Sonnenmassenstrombetrachten Kilogramm pro Sekundewenn sie Luft untersuchenund ausdrücklich als reversibeldann Luft betrachtenArbeit sich mit dem Volumenstrom sondern mit dem Massenstrom ähm Punkt Kilogramm pro Sekunde und endet natürlich für den MassenstromKontinuitätsgleichungsie verlieren nicht soundsoviel Kilogrammpro Sekunde an Luft wo sollte die bleibenund sie gewinnen die auch nicht ?? sollte der kanndie Dichte rein wenn sie reversible fluide habenund die Dichte noch mit rein vier ?? Wasserals interessierte betrachten habe keine dichte Genesis wirklich so banal der Sitzfläche malGeschwindigkeitsgeschwindigkeitals das ?? ist konstantim Heimsystemdas ist die erste grundlegendeDarreichungkann man sich über die Energiegedankenmachen ?? ich hatte also die Leistungsbilanzeiner Turbineist ja was einen dann im wesentlichen interessiert in der Wasserkraftnutzungdes alten Videos so das ich mir eineKiste vorstelle irgendwas komisches passiert in dieser Kiste mit meinem Wasser ist die Wasser rein in diese Kiste es kommt Wasser raus aus dieser Kistenatürlich jetzt wegen der Kontinuitätsgleichungistderselbe Volumenstroman Wasser reinherauskommtweil ich nicht irgendwie magisch zwischendurch Wassererzeugeroder Wasser vernichtewas aber auch passiert ist das ich mechanische Leistungsgewinnemechanische Leistung ausRohkurbelmit mechanischer Leistungzur Weiterverwendungdas ist ein sehr abstraktes Modell von einer Turbine von einer WasserturbineWasser rein Wasser raus und obendrein einer Leistung aus Komma selbst mit diesem Modell sind wir letztes Jahr vorgerechnetden alten wieder selbst mit diesem Modell kann man sofort schon sagen was denn passieren mussdie groß diese Leistung der ist die daraus kommtdie Leistung wieder raus Punktwir haben einmal Höhenunterschieddas gewahr ausnutzenschnelles oben mal die Höhe Z einsunten mal die Höhe Z zweidie Leistung hier wird mit dem Höhenunterschiedzu tun haben Z eins minusZ zweioffensichtlichin sie hier zehn Meter Höhe habenwahrscheinlich keine Turbine mehr Wasserradmit je zehn Meter Höhenunterschiedhaben werden sie entsprechend viel Leistung abführen könnenes muss mit demDruck unterschiedzusammenhängenwenn sie oben einen großen Druck haben unten einen kleinen Druck habenmüssen Sie das als Leistung abgeführt haben der Druckunterschied muss vorkommenund es muss mit Geschwindigkeitenzu tun haben wenn sie oben eine große Geschwindigkeit haben unten eine kleine Geschwindigkeit ?? unten sah ich natürlich auch zur Seite gehenso eingebaut sein ?? Turbineam Ausgangan der Saugseitesie da eine klare Geschwindigkeit haben als am Anfangmuss sie das auch niederschlagendas möchte man jetztmeinendass die Differenz der Geschwindigkeitendavor kommtes ist nicht die Differenz der Geschwindigkeitenwas muss danach erwünscht in der Formeldie Quadrate der GeschwindigkeitenSK musste kinetischen Energie ?? gucke mir an das war meine alte Herleitung ich gucke mir Sonnetablette sozusagenan Wasserangleroben rein geht wie viel Energie steckt da sozusagen drin was war denn Teil der kinetischen Energie der Wein kommtumgekehrt was kommt dem unten wieder rausetwas mit V zwei Quadratdas ganze pro Zeit gerechnetund so weiter also das sie werden jetzt die Zutaten in der Formel vorkommen müssen wenn ich wissen will welche Leistung ich gewinnen kann mit einer Wasserturbinediese drei Differenzen müssen Vorkommendie Differenz der Höhendifferenzder Drücke und die Differenzder Geschwindigkeitsquadrategewissnoch ein das ist ja eigentlich V eins minus V zweimal V einsgroß V zweites man könnte sich hier auch was dichten von wegen es ist die Differenz der Geschwindigkeitenmalden Mittelwertder Geschwindigkeitenmal zweieigentlich auch was mit der Differenzsofern das gar nicht so falsch man es man davon ausgeht müsste als die Differenz der Geschwindigkeiten steht aber nicht nur das Komma was dazuso wird es wenn Sie das jetzt auf die wichtigen Einheiten wünschte die Formel schon seit letztesJahr ausführlich hergeleiteteigentlich muss man nur das hinschreiben und sich über denwichtigen Einheitenhier haben wirMeterwollen auf eine Leistung dann steht der offensichtlich sowas dabei wie die Dichte mal die schwere Beschleunigungan die Dichte dessen Kilogramm pro Kubikmeterdann Hand die schwere Beschleunigungdas sind Meterpro Quadratssekundeoder Newton pro KilogrammParty aber noch die Höhendifferenzin Metern und dann sind wir beiNewtonmeterproKubikmeter also Newton pro QuadratmeterPunktder Volumenstromfehlt dass es bisher Eindruckgebrochen noch dem Volumenstromden Druck mal den VolumenstromKubikmeterpro Sekundeanhand der nämlich Newton mal Meter pro Sekunde aha hatdas alles mal den Volumenstromeher komisch finde ich Focke sicher große Klammermal den Volumenstromwenndoppelt sovieldurchfließtbei selben Höhenunterschied basierten Druck unterschied bei der Geschwindigkeit unterschied haben sie offensichtlich die doppelte Leistungdas Phosphor proportional zueinander seinund damit ?? welche die erste Komponenteder Anteilder Leistungdurch die Höhendifferenzihr kommt jetztder Anteil der Leistungdurch die Druckdifferenzsind das schon recht Fertigdruckdifferenzmal Volumenstromist sofort schon die LeistungNewton pro QuadratmeterNewton pro QuadratmeterMartin VolumenstromKubikmeter pro Sekundewürden neun Meter pro Sekundepro Sekunde Watt ist recht fertighier unten bei den Geschwindigkeitenoffensichtlich muss die Dichte dazudas muss ein Unterschied machenob sie hier Luft durch Pumpenoder Wasser durch Pumpen oder flüssiges Lithium durch Punktdas muss den Unterschied machen von der kinetischen ?? das macht einen Unterschied von der kinetischen Energiewird offensichtlich damit der dich dir zu tun sehen aberes geht voran scheint dann nicht an die Einheitenmüssen ?? die kinetische Energie erinnernFaktor ein halb von der kinetischen EnergieKomma jetzt von den Einheiten nicht identifizierenwir das ein halb ?? zwanzig dass er sich an die kinetische Energiedas ist die Leistungsbilanz einer Turbine die ganze Energiegewinnung durch Höhenunterschied durch Druck unterschied durch Geschwindigkeitsunterschiedund das ganze dann noch malden Volumenstromda sollte man jetzt aber sicher selber auch wieder die Bedingungen schreiben hier eben beim Kontinuitätsgesetzwenn ich das ohne Dichte in schreibeeine Volumenstrom hinschreiben oder muss ich dazu schreibendieses FluidwasserströmtMusik kompatibel seinsonstgilt das nicht in der Form die gleichen nicht in der Form was ist hieran Bedingungen zu nennenman stimmt das man kann ich das so rechnendie Leistung die aus der Turbine rauskommt?? Redaktion Recht diese Größen müssen von der Zeit unabhängig seinder sich vor die Höhe wäre zeitabhängigZiffer normalerweise nicht haben deshalb draufgekommen dass man sagen könnte aber das wäre schon heikel die GeschwindigkeitzeitabhängigAusflügen können also Vorsicht?? zwei Klammer das Einziggeschenknormalerweiseabersie haben recht da sollte man vorsichtig sein Klammer zu ?? Situation hat über einmal nachdenken nicht sofort die gleichen benutzenwas muss man sonst noch beachten bei dieser Gleichungfür die Leistungdie ich aus der Turbine rauskriegenebenbei das heißt natürlich eine stationäre Strömungbeschreiben mein Strom der nur noch durch die Geschwindigkeitden Druckunten auch durch die Geschwindigkeit den Druck dass es für sich in stationäre Strömung an außenwas sie innen drin passiertdie Schaufeln werden natürlichalles gut durcheinanderwirbelnund eine nicht stationäre Strömung erzeugendas ist an der Stelle nicht zu tragisch das in den die Strömung nicht stationär istals es fühlt sich von außen stationär an das Hammer damit schon erledigtman sollte jetzt noch ?? berücksichtigen das hier keine Reibungsverlusteauftretenwenn sie Nina Reibung haben in der Flüssigkeit stellen sich vor sie Punkt der Honig durch das ganze erwärmt sich dann ganz offensichtlich ein Verlust den sie nicht mechanisch abführen können keine Reibungsverlusteüberlege geradeim Kongress Siebelman das noch machen solltewenn sie das mit Luft machen sie würden mit komprimierter Luft reingehenund mit exponierter Luft rausgehendann haben sie auch Temperaturänderungmüssen sich plötzlich über Energiegedankenmachen die in den inneren Freiheitsgradensteckt das ist ?? heikle Geschichtein progressiveKunst müssen wir über die Temperatur nachdenkenzu soll ich sagen Kongress siebtes Fluidwären die Randbedingungen hier zu unserer LeistungsbilanzBeistrich also ein schiervielleicht zur Wiederholungdie üblichen Arten von Wasserkraftgewinnungsind hier die drei üblichen Arten der Wasserkraftgewinnungzu findenhier oben haben wir also das Wasserradarbeitet mit der FallhöheWasser kommt auf großer Höhe reinund auf kleine Höhe wieder raushier unten haben wirzum Beispiel die Pelton-Turbinegleich Druck Turbine die übliche Gleichdruckturbineausder Düse kommt das Wasser rausgeht auf das Kettenradweil sie aus der Düse rausgekommen ist hat es Atmosphärendruckdeshalb Gleichdruckturbinees kommt auf die Geschwindigkeitsdifferenzdann an dieser Strahl wird abgebremstvon den Welten hat und hier in der Mitte?? die beiden anderen üblichen Typen Kansas und Kaplanim wesentlichen mit der Druckdifferenzarbeitenund man kann in dem man sich die Wasserturbineeinfach als Kiste vorstelltWasser rein Wasser Rausleistungrausin die man sich die Wasserturbine einfach als Kiste vorstellt kann man schon extrem viel lernen darüber wie sie funktionierenkönnte was es an grundsätzlichen Prinzipien gibtaus einer bisherKontinuitätsgesetzdie Leistungsbilanz der Turbineund der letzte im Bunde istdas Gesetz von Bernoullidas ist verdächtigähnlichwie diese Leistungsbilanzder Turbinesich das ja angucken?? bestimmter Volumenstrom rein fließt er durch Computer raus sie nehmen die Leistungsbilanzder Turbine und sagen ich führe keine Leistung ab nur dass sie sich exakt Turbine Weg denken also diese Turbineohne dass die Leistung abführenund ohne Gehäusedas es eigentlichBernoulliich gucke mir einen Strom im Freien aneinzelne Marktes und Stromlinien sein Einflussgebietströmtdurch die Gegend hierund jetzt ?? sich da nicht ausdrücklich eine Turbine rein sondern ich gucke mir so eine Stromröhrean dessen Schönheitensich vorstellendass diese Partikel hier alle schön einander bleibenin diesen beiden Stromlinienoder im dreidimensionalenDandan Stromröhrebildengucke mir so einen Stromröhrein meiner Strömungfindet sich nur funktionierenwenn sie nicht turbulentes nicht wenn das so aussiehtalso keine ChanceStromröhre zu bildenund dannmacht man es analogwie bei der Gleichung für die Turbine gerade ich guck mir das an mir dieses Stromröhreals wir das die Turbine von ihm ein Turbine ohne Gehäusebildet sich sozusagen von selbst das Gehäuseeinfach in der Strömung?? Domain dreidimensionalenmachen dass sie sich vorstellen in der Strömung zu ein Faden durch dieStromröhredadurch gehtHans quasi sowas wie eine Turbine nur ohne Gehäuse drumherumwenn ich jetzt sage es wird keine Leistung abgeführtwenn es keine innere Reibung gibt gleich eine Bedingungin dieser Flüssigkeit wird auch keine Leistung abgeführtauf diese Weise nicht als Wärme abgeführt dann kann ich dieselbe Gleichung hinschreibenund ich erfahrefolgendeswenn ihr der Druck P eins ist und die GeschwindigkeitV eins istder Volumenstromvon hintenist derselbehier Eindruck D zwei ist und eine Geschwindigkeit V zwei istkann ich mir zwar die gleichen von eben angucken von der Turbinewas muss gelten wenn ich keine Leistung abführendann sehen Sie was hier steht innen drin das muss Null sein was in den roten Klammern steht muss Null sein schlicht und ergreifenduntersagt mir die Druckdifferenzjetzt wie groß ist also die Differenz der beiden drückeoder ich guck mir den ganzen Jahrenund sehe was konstant sein muss es muss also konstant sein Dichte mal schwere Beschleunigung mal Höheplus Druck plus ein halb Dichte mal Geschwindigkeitsquadratdas muss konstant sein wenn sie das mit eins ausrechnen mindestens zwei ausrechnen System rauskommt entsteht in den roten Klammern die nulldass es Bernoullimuss geltendichtemalschwere BeschleunigungKomma Höheplus den Druck plus ein halb mal die Dichte mal Geschwindigkeitsquadratist konstantdass es Bernoullinicht anders als die Gleichung von eben nur das es die Turbine ich mir da sozusageneinfach ein Stromröhreman Fluidin dieser Stromröhremuss das geltende Leben in der Turbinewird es andersrum schreiben dann ebendas heißt also?? will Druck lieber nach vorne das sieht komisch aus wenn der Druck denn der Mitte steht Satz zu ergeben rein zufälligDruck den ich meiner feucht auf die beiden ersten ausdruckplusdichte schwere Beschleunigunghöherals mit anderen Worten gefordert gekuckt P eins plus zwoGEZ eins das Z zweiZ eins plus ein halbV eins Quadrat muss dasselbe sein wie Druck zwei Flussdichteschwere Beschleunigungskühean der Stellerechts plus ein halbDichte mal Geschwindigkeitsquadratdas ist das Gesetz von Bernoullida sollte man auch wieder die Bedingungenhinschreibenda kommt jetzt das was ihm schon gesagt haben stationäre Strömungich muss hier ein Paketvon Wasser über die Zeit verfolgen können und dann mit dem Paket was da hinten ein gewisses vergleichen können das ergibt keinen Sinn wenn sich hier die Stromröhre ändert es muss immer dieselbe Stromröhre bleiben sonst kann ich nicht dass er hinten mit dem davon vergleichennun stationäre Strömungdann guck ich entlang einer Stromliniedie Vergleiche nichtdiesesPaket was in Händen irgendwo ankommtmit dem Paket da hintenist immer entlang einer Stromliniedie Stromlinie bildet sozusagen meine gedachte WasserturbineStromlinie die Stromröhrebildet meine gedachte Wasserturbineich bleibe bei der Stromliniedurch die Mitte entlang einer Stromlinie gilt das es gilt nicht für verschiedene Strom das ist gefährlichdas vergisst man gerne immer nur die gleichen Gehirn schreibtmuss man sich immer klarmachendas gilt nur wenn ich eine Stromlinie folgen wenn sie verschiedene Stromlinie miteinander vergleichen wollendie ?? unten mit der der obensagt in der ?? nichts dazu?? ist die Energiebilanzentlang einer Stromlinienicht entlang verschiedener Stromlinieund natürlich wieder dass das Poetsin kompatibel sein soll was muss ich mir über die Temperatur Gedanken machen insbesondereüber die TemperaturGedankenmitstationärer Strömung meine ?? dann auch insbesonderelaminarbei der Technik turbulente Strömungnicht stationär ist ist eben Turbulenz ändert sich ständig ?? es reißt irgendwo ein Wirbel ab dann kommt der nächste Wirbel und so weiterwenn sich die Bedingung angucken als das man verwendet Bernoulli oft da wo's eigentlich nicht geht Bernoulli auf Luft anzuwendenverlangteinige Begründungenhier KompatibilitätLuft ist doch sehr gut aggressive Baum kann ich trotzdem Bernoulli anwendenwegen ein schnell Druckausgleichsund ähnliche Geschichtenda muss man vorsichtig sein Bernoulli wird oft da angewendetwo man ihnen offiziell gar ?? darfuns gerade noch maldas klassische Beispiel an wenn siediese Situationhaben eine Leitungdie sich verengtPatienten auch wieder breiter wird so eine Leitungsrohrbesser sagen ein Rohr mit einem Querschnittund hier strömt einenFluid durch ?? mit kurzen fein gemahlen je strömt ein Fluid durchdieselbe Geschwindigkeitjetzt offensichtlich eine viel größere Geschwindigkeitdiese höhere Geschwindigkeitan wem ich denn jetzt eigentlich diese höhere Geschwindigkeitwelchesvon diesen Gesetzenschlägt dazudas ist das Kontinuitätsgesetzes nicht wenn Uli das geht manchmal durcheinander das ist das Kontinuitätsgesetzmuss denselben Volumenstrom habenhier wie dadie Querschnittsflächeverkleinert sich die Geschwindigkeit muss größer werden damit ich genauso viel Kubikmeter pro Sekunde dadurch Punktdas ist das Kontinuitätsgesetzund dann kann man mit Bernoulli sagenwas Komma wenn ?? sagendann sagt Bernoulli der Druck ist kleinerin dieser Reihenfolgeeigentlichist das sowieso komisch warum ist es der Mitte der Druck kleiner das hat mich zu Schulzeiten immer völlig gewohnt das komisch das jeder Druck kleiner ist eigentlich müsste man ja anders angehen und sagenwenn hier die Geschwindigkeitin der Mitte groß istmuss das einen Grund haben wie kann es sein dass die Geschwindigkeithier in der Mitte groß ist es kann nur dadurch kommendass eine Kraft wirktdie Geschwindigkeitdamit die Geschwindigkeitvon mir sehr V eins vor zweides hier die Geschwindigkeitgroß ist in der Mitteist nur zu erklärenwenn irgendwo eine Kraft wirkt die beschleunigt hier muss eine Kraft wirken in diesem Bereichdamit mein Fried beschleunigtwird nur so lässt sich die hohe Geschwindigkeit?? erklärenwo kommt jetzt diese Kraft eigentlich hermagische Kraft dir was ist das eigentlichwo die Druckgradient Kraft zwischen hoch und tief die Stecker wieder zu wie aus den ersten Semesterwochenbei der Methodologiedies hier muss ein hoch seinund diese muss ein Tief seindann übrigens die Beschleunigungaus dem hoch in das tief rein nur so klingt die Beschleunigunghaben wir ein Kraftfeld sozusagen die Druckgradienten Kraft die vom Hoch zum Tief beschleunigtBernoulli HerrProgrammiertraf damit die Entstehung kann auch jedem links ein hoch und in der Mitte ein tief da muss der Druckunterschied herkommenund den Druckunterschiedgäbe es keine DruckgradientenKraft und damit nicht die verschiedenen Geschwindigkeitenso könnte man auch vorgehen?? Knopf auf der rechten Seite ?? natürlichnicht die gleichen sind im umgekehrten Druckgradientendie strömen jetzt aus dem tief ins hochder programmiert es genau umgekehrt und wenn das ganze wieder so kann man sich Bernoulli auch vorstellte ?? gibt es für mich viel mehr sind denke mir das ganze wie in der Mythologie mit hoch und tief