Strömung von Flüssigkeiten in Rohrleitungen

27.06.2025 | Veröffentlicht in Ausgabe 07-2025

Lächelnder Klempner in blauer Uniform mit einer Rohrzange in der Hand, der neben Kupferrohren an einer Wand steht. - © Bild: ChatGPT/vO/SBZ Monteur — © Bild: ChatGPT/vO/SBZ Monteur

Im SHK-Handwerk begegnen uns Strömungen überall – ob bei der Trinkwasserversorgung, in Heizungsanlagen, bei der Solarthermie oder in Entwässerungssystemen. Damit diese Systeme zuverlässig, effizient und normgerecht funktionieren, ist es wichtig zu wissen, wie sich Flüssigkeiten in Rohrleitungen verhalten.

Wer das Thema Strömung von Flüssigkeiten in Rohrleitungen ignoriert, riskiert damit:

überdimensionierte oder unterdimensionierte Rohrleitungen,

Druckverluste,

unnötige Pumpenleistungen,

Strömungsgeräusche,

Anlagenstörungen.

Volumenstrom – Das Maß für die Förderleistung

Der Volumenstrom (oft auch als Durchflussmenge bezeichnet) ist eine der wichtigsten Kenngrößen in der Strömungstechnik. Er beschreibt, wie viel Flüssigkeit oder Gas pro Zeit durch ein Rohrsystem transportiert wird. Der Volumenstrom bestimmt, wie groß Rohrleitungen, Pumpen, Ventile oder Armaturen ausgelegt sein müssen, damit das System zuverlässig und effizient funktioniert.

Der Volumenstrom wird berechnet mit der folgenden Formel:

V̇ = A * v

V̇ = Volumenstrom [m³/s oder l/s]

A = Querschnittsfläche des Rohres [m²]

v = Strömungsgeschwindigkeit [m/s]

Der Volumenstrom ist also das Produkt aus der Querschnittsfläche des Rohres und der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums. Je größer die Fläche oder die Geschwindigkeit, desto mehr Volumen fließt pro Sekunde durch das Rohr.

Beispiel:

Ein Kupferrohr mit einem Innendurchmesser von 18 mm – einem Radius von 9 mm - hat eine Querschnittsfläche von:

A = π * r² =3,1416 * (0,009 mm)² ≈ 0,000254 m²

Bei einer Fließgeschwindigkeit von 1,2 m/s ergibt sich:

V̇= A * v = 0,000254 m² * 1,2 m/s ≈ 0,000305 m³/s = 18,3 l/min

**Zusammenhang von Volumenstrom, Rohrquerschnitt und Strömungsgeschwindigkeit.**

Technischer Hinweis:

Ein hoher Volumenstrom durch ein zu kleines Rohr führt zu:

hohen Strömungsgeschwindigkeiten

größeren Druckverlusten (durch Reibung an den Rohrwänden, Turbulenzen)

Lärmbelastung und Materialverschleiß

ineffizientem Betrieb von Pumpen oder Armaturen

Daher ist es wichtig, bei der Planung und Auslegung eines Systems nicht nur den Volumenstrom, sondern auch die Strömungsgeschwindigkeit und den Druckverlust zu berücksichtigen.

Der Volumenstrom ist entscheidend für:

die Dimensionierung von Rohrleitungen

die Auswahl geeigneter Pumpen mit passender Förderleistung

die Einstellung von Regelventilen, um gewünschte Durchflussmengen zu erreichen

die Auslegung von Messsystemen, wie z. B. Durchflussmessern oder Ultraschallzählern

Der Volumenstrom ist also die Basisgröße für den gesamten hydraulischen Abgleich eines Rohrsystems. Eine korrekte Berechnung hilft, Energieverluste zu vermeiden, Geräusche zu reduzieren und die Betriebssicherheit zu erhöhen.

Strömungsgeschwindigkeit – Wie schnell ist zu schnell?

Die Strömungsgeschwindigkeit beschreibt, wie schnell sich ein Medium – in der Regel eine Flüssigkeit wie Wasser – durch ein Rohrsystem bewegt. Sie ist ein wesentlicher Parameter in der Auslegung und im Betrieb von Rohrleitungen, weil sie direkten Einfluss auf Geräuschentwicklung, Druckverluste, Verschleißerscheinungen und die Energieeffizienz des gesamten Systems hat.

Empfohlene Grenzwerte für verschiedene Anwendungen

Je nach Art der Leitung gelten in der Praxis unterschiedliche Richtwerte für die maximal zulässige Strömungsgeschwindigkeit. Diese Grenzwerte dienen der Vermeidung von Schäden und sorgen für einen störungsfreien Betrieb:

Kalt- und Warmwasserleitungen (Trinkwasser): max. 2,0 m/s

→ Vermeidung von Strömungsgeräuschen und Materialbeanspruchung

Heizungsleitungen (z. B. Vorlauf/Rücklauf): typischer Bereich 0,3 – 1,5 m/s

→ ausreichend schneller Transport bei minimalem Druckverlust

Zirkulationsleitungen (Trinkwasser-Zirkulation): möglichst niedrige Geschwindigkeit, idealerweise < 0,3 m/s

→ verhindert unnötige Wärmeverluste und reduziert Geräusche

Abwasserleitungen (Freispiegelströmung): mind. 0,7 m/s

→ notwendig zur Selbstreinigung (Verhinderung von Ablagerungen und Geruchsbildung)

Was passiert bei zu hoher Geschwindigkeit?

Eine zu hohe Strömungsgeschwindigkeit kann eine Vielzahl unerwünschter Effekte mit sich bringen:

Strömungsgeräusche: Bei überhöhten Geschwindigkeiten entstehen hörbare Geräusche im Rohrsystem – zischende, rauschende oder pfeifende Töne, die besonders in Wohnbereichen als störend empfunden werden.

Abrasion (Verschleiß): Bei hoher Geschwindigkeit schlagen Wasser und Schmutzpartikel stärker gegen die Rohrwand. Das führt über die Zeit zu Materialverschleiß, besonders an Bögen, Formstücken und Ventilen.

Erhöhter Energieverbrauch: Schneller fließendes Wasser verursacht höhere Reibungsverluste an der Rohrwand. Diese Druckverluste müssen durch die Pumpe ausgeglichen werden – das erhöht den Stromverbrauch und die Betriebskosten.

Hydraulische Störungen: Bei plötzlichem Schließen von Armaturen kann es zu Druckstößen kommen. Diese Druckwellen können Rohrleitungen beschädigen und laute Knallgeräusche erzeugen.

Ein optimal gewählter Wert sorgt also für:

geringe Druckverluste

weniger Geräusche

längere Lebensdauer der Komponenten

bessere Energieeffizienz

Zu schnell ist also nicht besser – sondern riskanter. Besonders bei Trinkwasser- und Heizsystemen lohnt es sich, die Geschwindigkeit im empfohlenen Bereich zu halten, um langfristige Schäden und unnötige Betriebskosten zu vermeiden.

Kontinuitätsgleichung – Energie bleibt erhalten

Die Kontinuitätsgleichung ist wichtig in der Strömungsmechanik und beruht auf dem Gesetz der Massenerhaltung: In einem geschlossenen System kann keine Masse verloren gehen. Übertragen auf Rohrleitungen bedeutet das:

Was vorne ins Rohr hineinfließt, muss hinten auch wieder herauskommen.

Das gilt unabhängig davon, ob sich der Rohrdurchmesser unterwegs ändert – das Produkt aus Querschnitt (A) und Geschwindigkeit (v) muss stets konstant bleiben. Mathematisch ausgedrückt:

A₁ * v1 = A2 * v2

Das bedeutet: Wenn sich die Querschnittsfläche des Rohrs verändert (z. B. durch eine Verengung oder Erweiterung), passt sich die Geschwindigkeit automatisch an.

Folgen:

Verengung des Rohrs (kleinerer Querschnitt A₂): Die Strömungsgeschwindigkeit nimmt zu, damit gleich viel Volumen pro Zeit durchfließt. Gleichzeitig sinkt der statische Druck, weil ein Teil der Energie in Bewegungsenergie umgewandelt wird.

Erweiterung des Rohrs (größerer Querschnitt A₂): Die Geschwindigkeit nimmt ab, und der statische Druck steigt wieder an.

Beispiel:

Ein Wasserstrom fließt mit 1 m/s durch ein Rohr mit dem Durchmesser DN25.

Wenn sich das Rohr auf DN15 verengt (also ein deutlich kleinerer Querschnitt), steigt die Geschwindigkeit des Wassers auf fast 2 m/s an – die Strömung wird schneller, aber der Druck sinkt.

Anwendungsbeispiele:

Dieses Prinzip ist entscheidend für viele technische Anwendungen, z. B.:

Verjüngungen in Rohrleitungen (z. B. zur Anpassung an verschiedene Rohrgrößen)

Drosselventile, die den Durchfluss begrenzen oder steuern

Messdüsen (Venturidüsen), bei denen durch eine gezielte Verengung Druckdifferenzen erzeugt werden, um die Durchflussmenge zu messen

Die Kontinuitätsgleichung ist also ein einfaches, aber wirkungsvolles Werkzeug, um Strömungsvorgänge zu verstehen und gezielt zu beeinflussen – vom Wasserhahn bis zur Turbine.

Viskosität – Die innere Zähigkeit der Flüssigkeit

Die Viskosität beschreibt den inneren Reibungswiderstand einer Flüssigkeit – also, wie „zäh“ oder „dickflüssig“ sie ist. Je höher die Viskosität, desto stärker haften die Flüssigkeitsteilchen aneinander, und desto schwerer lässt sich die Flüssigkeit in Bewegung setzen. Anders gesagt: viskose Flüssigkeiten fließen langsamer – bei gleichem Druck oder gleicher Pumpleistung.

Die Viskosität hat einen direkten Einfluss auf die Strömungsgeschwindigkeit, den Druckverlust, die Pumpenauswahl und den Systemwirkungsgrad.

Einflussfaktoren auf die Viskosität

Die Viskosität ist keine konstante Größe – sie hängt von mehreren physikalischen Eigenschaften ab:

Temperatur:
→ mit steigender Temperatur nimmt die Viskosität ab.
Beispiel: Kaltes Wasser ist deutlich zähflüssiger als warmes. Gleiches gilt auch für Öl.
Umgekehrt bedeutet das: Im Winter ist das Heizungswasser oder Öl „zäher“, im Sommer „dünnflüssiger“.

Art des Mediums:
Unterschiedliche Flüssigkeiten haben grundsätzlich unterschiedliche Viskositäten:

Praxisbeispiele und Auswirkungen:

Heizungswasser im kalten Zustand:

Solarflüssigkeiten (z. B. Glykolgemisch): Diese Gemische haben eine deutlich höhere Viskosität als reines Wasser. Das bedeutet:

Warum ist Viskosität so wichtig in der Anlagentechnik?

Eine falsche Einschätzung der Viskosität kann zu Fehlfunktionen führen, z. B.:

Unterdimensionierte Pumpen liefern nicht den benötigten Durchfluss

Höherer Energieverbrauch, weil Pumpen gegen zu großen Strömungswiderstand arbeiten

Verzögerter Wärme- oder Kälteübergang

Störungen bei der Befüllung, Entlüftung oder Zirkulation von Anlagen

Die Viskosität ist ein oft unterschätzter, aber technisch sehr wichtiger Faktor bei der Planung und dem Betrieb von Anlagen. Besonders bei wechselnden Temperaturen oder bei Spezialmedien (z. B. in Solarthermie, Wärmepumpentechnik oder Industrieanlagen) sollte sie immer berücksichtigt werden.

Regel:

Je höher die Viskosität, desto langsamer der Fluss, desto größer der Druckverlust.

Laminare und turbulente Strömung – Wie „ordentlich“ fließt es?

Die Bewegung von Flüssigkeiten oder Gasen durch Rohrleitungen kann sehr unterschiedlich aussehen. Man unterscheidet dabei grundsätzlich zwei Strömungsarten:

Laminare Strömung: geordnet, ruhig und gleichmäßig

Turbulente Strömung: unruhig, verwirbelt und chaotisch

Welche Strömungsart vorliegt, hängt von mehreren Faktoren ab – vor allem aber von der sogenannten Reynolds-Zahl (kurz: Re), einer dimensionslosen Kennzahl, die das Verhältnis von Trägheitskraft zu Zähigkeitskraft in einer Strömung beschreibt.

Die Reynolds-Zahl wird nach folgender Formel berechnet:

Re= (vm*d)/ν

v_m = gemittelten Geschwindigkeit

d = Innendurchmesser

ν = Viskosität

Beispiele aus der Praxis:

Trinkwasserleitung DN15 bei 2 m/s: Re ≈ 10.000 deutlich turbulent → typisch für Haushaltsinstallationen mit kleinen Querschnitten und hohen Geschwindigkeiten

Heizwasser in großen Leitungen (z. B. DN80) mit 0,3 m/s:: Je nach Medium und Temperatur kann Re unter 2.300 liegen → oft noch laminar oder im Übergangsbereich, besonders bei niedrigen Temperaturen oder viskosen Flüssigkeiten (z. B. mit Glykol)

Einfluss auf das Rohrsystem:

Die Strömungsart hat erhebliche Auswirkungen auf den Druckverlust, die Energieeffizienz und die Geräuschentwicklung:

Laminare Strömung:

Turbulente Strömung:

Die Reynolds-Zahl ist ein wichtiges Werkzeug zur Beurteilung des Strömungsverhaltens in Rohrleitungen. Sie hilft Ingenieuren und Planern, Systeme richtig zu dimensionieren und zu entscheiden:

Wo ist turbulente Strömung notwendig oder unvermeidbar?

Wo sollte laminarer Fluss erhalten bleiben (z. B. bei Durchflussmessungen oder empfindlichen Medien)?

Muss die Rohrdimension angepasst werden, um die Strömung zu beeinflussen?

Ein guter hydraulischer Entwurf berücksichtigt die Strömungsart – nicht nur für die Effizienz, sondern auch für die Lebensdauer und Betriebssicherheit der gesamten Anlage.

Strömung verstehen – Anlagen richtig planen

Strömung ist mehr als nur fließendes Wasser – sie ist ein zentrales physikalisches Prinzip, das die Funktionsweise aller technischen Anlagen im SHK-Bereich beeinflusst. Wer die grundlegenden Zusammenhänge von Volumenstrom, Strömungsgeschwindigkeit, Viskosität, Druckverlust und Strömungsart kennt, kann Anlagen effizienter, leiser und langlebiger gestalten.
Ob bei der Auslegung von Rohrleitungen, der Auswahl von Pumpen oder der Dimensionierung von Regelarmaturen – die Strömungslehre liefert das nötige Wissen, um Fehler wie überdimensionierte Leitungen, unnötige Energieverluste oder störende Geräusche zu vermeiden. Die Anwendung von physikalischen Gesetzmäßigkeiten wie der Kontinuitätsgleichung oder der Berechnung der Reynolds-Zahl hilft dabei, technische Systeme vorausschauend und normgerecht zu planen.
Kurz gesagt: Wer Strömung richtig versteht, spart Energie, erhöht die Betriebssicherheit – und sorgt für zufriedene Kunden.