Aufstiegsgeschwindigkeit

Wissenschaft Physik
1

(Ich habe den Artikel dummerweise schon unter ‚Naturwissenschaften allgemein‘ gepostet, da er da aber nicht hingehört, jetzt hier noch mal)

eine Frage zur Dynamik von Gasen:

kurz gefasste Problematik:
Ein an einer Seite geschlossenes Rohr wird senkrecht in Wasser getaucht, sodass der Verschluss unten ist und die darin enthaltene Luft nicht ausströmem kann. Doch nun wird dieser Verschluss entfernt und Wasser strömt von unten in das Rohr.
Frage: Wieviel Luft muss man von unten in das Rohr leiten, damit das Wasser im Rohr nicht steigt?

ausfürhliche Fassung:

Situation:
Eine Erdgasförderplattform fördert im Meer Erdgas. Das Gas wird vom Boden, der 200m unter dem Wasserspiegel liegt, bis zur Station in einem Rohr (d = 2m) gefördert.
Das Rohr bricht nun unten auf dem Boden, also in 200m Tiefe und läuft mit Wasser von unten voll, dabei wird das Erdgas durch den Wasserdruck oben aus dem Rohr gedrückt.
Während des ganzen Vorgangs strömt jedoch aus dem Boden immer noch Erdgas.
(Es tritt aus dem Boden aus, durchquert das Wasser der Bruchstelle und tritt wieder in das darüber liegende Rohr ein.)

Frage:
Wieviel Gas müsste aus dem Boden ausströmen, damit das Wasser im Rohr nicht steigt?

Probleme:
Das Ganze läuft auf die Geschwindigkeit hinaus, mit dem das Gas oben aus dem Rohr austritt. Diese ist vom Druck im Rohr abhängig. Dieser wird bei etwa 30bar liegen.

(V des Rohrs = pi * 200m = 942m³
Dichtedifferenz: 999,7 kg/m³ - 0,765 kg/m³ = ca.999 kg/m³
entspricht 9990 N/m³; bei 942m³: 9,4 MN
ergibt einen Druck von 9,4 MN / 3,14 m² = 2,99 MN / m² entspricht 29,9 bar

bei:
mittleren Dichte von Erdgas: 0,765 kg/m³
Wassertemperatur idealer Weise überalll bei 10°C)

Doch kann ich aus dem Druck nicht die Geschwindigkeit errechnen.
Da kann mir doch sicher jemand helfen?!

(Es geht nur um die Physik an sich, ob das in welcher Hinsicht auch immer realistisch ist, is schnuppe)

Danke schon mal!

2

Wenn ich das richtig verstanden habe, wird das so überhaupt nicht funktionieren.
Der Wasserdruck in der Tiefe ist doch gerade dafür verantwortlich, dass das Erdgas durch das Rohr nach oben gedrückt wird. Wenn man nun durch irgendwelche Maßnahmen den Druck im Rohr so weit erhöht, dass der Wasserdruck kompensiert wird, dann wird folglich auch kein Gas mehr gefördert.

Gruß
Oliver

3

Wenn man nun durch irgendwelche Maßnahmen den
Druck im Rohr so weit erhöht, dass der Wasserdruck kompensiert
wird, dann wird folglich auch kein Gas mehr gefördert.

Der Druck im Rohr erhöht sich durch den Auftrieb des Gases in Richtung Meeresoberfläche.
Am Boden an der Bruchstelle beträgt er null, an der Meeresoberfläche 30bar.
Dadurch muss doch Wasser in das Rohr eindringen.

4

Moin,

also ich verstehe die Frage und das Problem überhaupt nicht.

Frage: Wieviel Luft muss man von unten in das Rohr leiten,
damit das Wasser im Rohr nicht steigt?

Was meinst Du mit „nicht steigt“? Meinst Du damit, dass überhaupt kein Wasser in das Rohr eindringen soll? Wenn es einmal eingedrungen ist, steigt es doch bis zur Meeresoberfläche, oder? Und dann? Willst Du es durch den Gasdruck wieder rausdrücken?

Olaf

5

Das ist schlichtweg falsch. Der Druck ist „unten“ immer größer als „oben“. Nach deiner Logik würde das Gas von oben nach unten fließen. Hast du dir die Frage selber ausgedacht? oder hast du die aus irgendeiner Literatur/Vorlesung? Sie ist nämich meiner meinung nach Schwachsinn…

Grüße, Tom

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6

Am Boden an der Bruchstelle beträgt er null, an der
Meeresoberfläche 30bar.

Findest du es nicht merkwürdig, dass sich das Gas freiweillig von einem Ort niedrigen Drucks zu einem Ort mit hohen Druck bewegt - und das auch noch gegen die Schwerkraft?

Gruß
Oliver

7

welcher druck steigt?

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Der Druck im Rohr erhöht sich durch den Auftrieb des Gases in
Richtung Meeresoberfläche.
Am Boden an der Bruchstelle beträgt er null, an der
Meeresoberfläche 30bar.
Dadurch muss doch Wasser in das Rohr eindringen.

welcher druck steigt?

Der Druck innerhalb der Heliumsäule steigt.
Unten ist der Wasserdruck größer als der Heliumdruck, oben der Heliumdruck größer als der Wasserdruck.

9

Findest du es nicht merkwürdig, dass sich das Gas freiweillig
von einem Ort niedrigen Drucks zu einem Ort mit hohen Druck
bewegt - und das auch noch gegen die Schwerkraft?

Ich habe die ganze Zeit nur den Druck des Heliums an sich betrachtet^^
Unten ist der Wasserdruck größer, oben der Heliumdruck… so drüfte auch alles wieder mit der Logik strömen.

10

Hast du dir die Frage selber ausgedacht? oder
hast du die aus irgendeiner Literatur/Vorlesung? Sie ist
nämich meiner meinung nach Schwachsinn…

Wie kann eine solche Frage Schwachsinn sein? Die Erklärungsversuche mögen nicht immer ganz ähhh… sinnvoll sein, aber wieso sollte die Frage an sich schwachsinnig sein? O_o

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wieso sagst du nicht: der heliumgesamtdruck in der saeule bleibt konstant?

wegen der energieerhaltung…oder so…

und ich wuerde fast behaupten, unten ist der statische heliumdruck = wasserdruck und oben genauso.
der schweredruck ist aufgrund des masseunterschiedes unterschiedlich.
der kinetische ist aber unten fast 0 und oben sehr gross.

aber vielleicht irre ich mich auch…ich bitte um berichtigung, sollte es falsch sein.

mfg:smile:
rene

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und ich wuerde fast behaupten, unten ist der statische
heliumdruck = wasserdruck und oben genauso.
der schweredruck ist aufgrund des masseunterschiedes
unterschiedlich.
der kinetische ist aber unten fast 0 und oben sehr gross.

Ich meine die ganze Zeit die Kraft, die auf einen Deckel oben auf dem Rohr wirken würde. Wenn in dem Rohr 300 m³ Gas drin wären, müsste man 300t oben draufstellen, damit der Deckel nicht hochgehoben werden würde.
Ich habe da nicht so den Durchblick zwischen statischen, kinetischem und schweredruck^^

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Frage: Wieviel Luft muss man von unten in das Rohr leiten,
damit das Wasser im Rohr nicht steigt?

Was meinst Du mit „nicht steigt“? Meinst Du damit, dass
überhaupt kein Wasser in das Rohr eindringen soll? Wenn es
einmal eingedrungen ist, steigt es doch bis zur
Meeresoberfläche, oder? Und dann? Willst Du es durch den
Gasdruck wieder rausdrücken?

Wenn ich ein Rohr in Wasser eintauche, läuft von unten Wasser hinein. Halte ich unter das Rohr einén Strohalm und puste hinein, so kommt Luft aus dem Strohalm und steigt in das Rohr. Puste ich nun genug Luft durch den Strohalm, sinkt der Wasserspiegel wieder im Rohr.

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nun, also … ehm…da alle grad mittag essen, kann ich ja schnell mal mist erzaehlen und dann abhauen:smile:))

also wenn du das so meinst, wuerde ich ganz anders rangehen.

denn der wasserdruck hat dann ueberhaupt nix damit zu tun, sondern nur die luftsaeule ueber dem deckel. wenn du in dieses rohr luft einfuellst, wuerde ueberhaupt keine kraft auf den deckel wirken. nur der unterschied der dichte zwischen helium und luft verursacht das aufsteigen des heliums.

hast du aber kein rohr, sondern das helium direkt im wasser, dann ist es der unterschied zwischen wasserdichte und heliumdichte.

willst du die kraft zwischen wasser und helium(also quasi die kraft auf das rohr) und das helium bewegt sich gar nicht(was ich erst dachte), dann hast du einen schweredruck, der nach unten hin steigt, denn er entsteht durch die heliumsaeule ueber ihm.

die differenz zwischen den beiden(schweredruck wasser/helium) wuerde dann auf die rohrwand druecken, aber mehr wuerde auch nicht passieren. nur ein verformen der rohrwand wuerde ein herausdruecken des heliums verursachen und somit eine kraft auf den decken wirken lassen.

es kann aber auch sein, dass ich mich irre. mal sehen, ob mir jemand widerspricht:smile:))

mfg:smile:
rene

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Ich habe die ganze Zeit nur den Druck des Heliums an sich
betrachtet^^
Unten ist der Wasserdruck größer, oben der Heliumdruck… so
drüfte auch alles wieder mit der Logik strömen.

Nein, immer noch nicht. Auch der Heliumdruck ist unten größer als oben, wenn der Unterschied aufgrund der geringen Dichte auch minimal ist.

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Ich meine die ganze Zeit die Kraft, die auf einen Deckel oben
auf dem Rohr wirken würde.

Die hängt vom Gasdruck im Rohr ab.

Wenn in dem Rohr 300 m³ Gas drin
wären, müsste man 300t oben draufstellen, damit der Deckel
nicht hochgehoben werden würde.

Bestimmt nicht. Dein Rohr hat ein Volumen von knapp 950 m³. Darin 300 m³ Gas ergibt einen Druck von ca. 0,3 bar - also Unterdruck. Der Deckel würde mit einer Kraft von innen festgehalten, der einer ziehenden Masse von ca. 22,5 Tonnen entspricht.

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denn der wasserdruck hat dann ueberhaupt nix damit zu tun,
sondern nur die luftsaeule ueber dem deckel. wenn du in dieses
rohr luft einfuellst, wuerde ueberhaupt keine kraft auf den
deckel wirken.

Wenn ich ein Rohr ins Wasser stecke und oben einen Deckel drauflege, dann muss ich diesen Deckel beschweren! O_o

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korrektur…
jetzt hab ich mir erstmal deine aufgabe durchgelesen…

rein vom verstaendnis erstmal…

kraefte von unten nach oben vor dem riss:

erdgasdruck

kraefte von oben nach unten:

schweredruck erdgas

kraefte nach dem riss:

unten nach oben:

wasserdruck

oben nach unten:

schweredruck erdgas

verbindung zwischen geschwindigkeit und druck = bernoulli-gleichung(wikipedia)

die frage nach dem erdgasdruck, damit kein wasser mehr nach obensteigt, ist ein widerspruch oder ein denktest. das wasser wird nach oben steigen, weil das erdgas leichter ist als das wasser. das hat mit dem erdgasdruck des nachstroemenden erdgases gar nichts zu tun.

man kann jedoch die nach dem leg entstehende kraft berechnen. dazu ist aber notwendig, dass man genaue kenntnisse zu leggroesse und form hat. jede andere rechnung waere mutmassung.

aber vielleicht irre ich mich auch oder habe die frage falsch verstanden…

mfg:smile:
rene

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Unten ist der Wasserdruck größer, oben der Heliumdruck…

Nein, immer noch nicht. Auch der Heliumdruck ist unten größer
als oben, wenn der Unterschied aufgrund der geringen Dichte
auch minimal ist.

*confused*
Wenn ich in der Mitte des Rohres einen Deckel reinschöbe, dann müsste ich ihn mit 450t beschweren, wenn ich nur oben einen draufpacken würde, mit 900t.
Oben ist der Druck dann doch größer?!
(Vllt habe ich aber auch ein anderes Verständnis von Druck und bringe verschiedene Druckarten da durcheinander)

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ja…jetzt verstehe ich…

wenn du ein gas hast, dann drueckt das wasser das gas nach oben mit 30 bar(unten am boden)
wenn das gas noch gasfoermig ist, wird es zusammengedrueckt.
aus der kompression heraus entsteht dann der druck und somit die neue kraft auf den deckel.
ist es das nicht, sondern ist das gas fluessig, musst du den druck den wassers - den schweredruck des fluessigen gases rechnen.

aber ich kann mich auch irren…

mfg:smile:
rene

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