Hallo Leute.
Ich habe die Aufgabe bekommen zu berechnen ob ein 3mm dickes Kupferrohr von Wasser beim Gefrieren gesprengt wird.
Das Wasser befindet sich im Rohr in einem U-Umlauf, wo es sich auch in beiden Seiten ausdehnen kann.
Das Wasser beim einfrieren aufgrund der viel geringeren Dichte von Eis in der Lage ist sogar Steine zu zerbrechen ist mir klar. Nur die Frage ist ob die Ausdehnung des Eises in alle Richtungen geht oder sich ausgleicht, so dass es dann die Luft wegdrückt?
Hallo Leute.
Hallo auch!
Ich habe die Aufgabe bekommen zu berechnen ob ein 3mm dickes
Kupferrohr von Wasser beim Gefrieren gesprengt wird.
Was denn 3 mm?
Wandstärke, Innendurchmesser, Aussendurchmesser?
Das Wasser befindet sich im Rohr in einem U-Umlauf, wo es sich
auch in beiden Seiten ausdehnen kann.
Kann ich mir mühsam vorstellen.
Das Wasser beim einfrieren aufgrund der viel geringeren Dichte
von Eis in der Lage ist sogar Steine zu zerbrechen ist mir
klar.
Metall hat eine viel höhere Zugfestigkeit als ein Stein, das Argument zählt nicht.
Nur die Frage ist ob die Ausdehnung des Eises in alle
Richtungen geht oder sich ausgleicht, so dass es dann die Luft
wegdrückt?
Ich würde mal anders rangehen.
Es geht bestimmt darum, um wievile % sich das Wasser ausdehnt, wenn es zu Eis wird. Die Erfahrung sagt nein, das Rohr platzt nicht, sondern dehnt sich blos etwas. Das sieht man schön, wenn das Rohr gestrichen ist, an den Rissen in der Farbe.
Lötverbindungen lösen sich natürlich.
Grüße, Steffen!
Hallo
Um diese Frage zu beantworten brauchen wir ein paar mehr Details zu den Rahmenbedingungen (vor allem Zahlen).
So aus dem Bauch heraus würde ich sagen eine Kupferleitung, die Aufputz verlegt ist wird aufgrund der Materialeigenschaften von Kupfer vermutlich nicht platzen, da Kupfer sehr dehnbar ist.
Eine eingemauerte Zinkleitung die schon etwas gammellig ist kann durchaus platzen.
Horst
Hallo !
Eine Rohrleitung, egal, ob Kupfer oder sonstwas, platzt nicht, wenn sie einfriert. Sie platzt, wenn sie wieder auftaut.
Beim Einfrieren einer Leitung läuft immer neues Wasser zu und die Leitung ist dann voll mit gefrorenem Wasser. Was soll da passieren? Nichts! Erst wenn sie auftaut und sich das Wasser und die Luftblasen ausdehnen, kann das Rohr platzen.
Ein eingefrorenes Wasserventil kann diesen Zustand jahrelang durchstehen. Erst wenn es warm wird, platzt es. Das hat jeder Gartenbesitzer schon erlebt.
Eine längere Rohrleitung, die, komplett mit Wasser gefüllt, einfriert, platzt mit Sicherheit, wenn das Warmwerden in der Mitte anfängt. Wenn also für das sich ausdehnende Wasser kein Platz ist. Beide Enden also noch von Eis verstopft sind. Taut man eine Rohrleitung aber von den Enden her auf, ist die Leitung oft zu retten.
mfgConrad
Hallo.
Nein, das ist Unsinn. Denn auch das Metall verändert sein Volumen.
Siehe das Experiment der Uni-Würzburg: http://www.physik.uni-wuerzburg.de/video/waermelehre…
(einfach auf das Bild klicken)
Schönen Tag noch.
Hallo !
Eine Rohrleitung, egal, ob Kupfer oder sonstwas, platzt nicht,
wenn sie einfriert. Sie platzt, wenn sie wieder auftaut.
tschuldigung, aber das ist Blödsinn.
Es gibt einen schönen Versuch, in dem eine Hohlkugel mit einer Wandstärke von über 15 mm und einem Gesamtdurchmesser von ca 200 mm komplett mit Wasser gefült wird. Das wird erreicht, indem ein Innengewinde in die Wand gefräst wird und in dieses Gewinde ein Stopfen geschraubt wird, der eine Kapillare hat, damit das überschüssige Wasser austreten kann.
Diese Kugel wird nun in ein Kältebad von ca. -20 °C gehängt und nach einiger Zeit explodiert die Kugel, weil das gebildete Eis sich ausdehnt und selbst diese Kugel dem Druck nicht standhält.
Gandalf
Hallo Steffen,
es handelt sich um 3mm Wandstärke mit 18mm Außendurchmesser.
Kannst du mir helfen deine Erfahrung, dass es nicht bricht, wissenschaftlich zu belegen?
Hallo!
Nein, so schlau bin ich nun auch wieder nicht.
Ev. nochwas dazu:
Du nimmst meinetwegen 1 m von dem Rohr, stellst das senkrecht hin, das untere Ende wird verschlossen.
Füllst das bis obenhin voll mit Wasser.
Wenn das gefriert, wächst dann ein Eispfropfen oben raus.
Ich kann mir nicht vorstellen, dass das Eis nicht durch so ein U gleiten sollte.
Das könnte es vielleicht bischen aufbiegen, und dehnen, aber platzen wird es nicht.
Aber wissenschaftlich belegen, nein, das kann wohl nur Dein Lehrer, der eine bestimmte Lösung sehen will.
Oder probierst es aus, fotografierst , wie die Eispfropfen aus den Enden rauswachsen, und haust dem das auf den Schreibtisch. Dann sieht er, ob es geplatzt ist oder nicht, da kann er dann rechnen soviel er will,
Tatsachen zählen mehr als Zahlen.
Grüße, Steffen!
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Hallo Energie_1,
beim gefrieren von Wasser, vergrößert sich sein Volumen um etwa 9,1%.
Das heißt, der Innendurchmesser des Rohres wächst dabei um rund 3%.
Ein hartes Kupferrohr (≥ 100 HV 5) wird hierbei bereits platzen.
Ein weiches Rohr (≤ 75 HV 5) wird sich zunächst nur plastisch verformen.
Nach mehreren Zyklen wird es ebenfalls bersten, sobald die maximale Bruchdehnung des Werkstoffs überschritten wird.
Gruß Fritz
Hallo Fritz,
Vielen Dank für deine Antwort.
beim gefrieren von Wasser, vergrößert sich sein Volumen um
etwa 9,1%.
Das heißt, der Innendurchmesser des Rohres wächst dabei um
rund 3%.
Und wenn da nach oben hin Platz ist für das Eis zum ausdehnen, dehnt es sich dann nicht nach da aus? Oder zeigen die Druckvektoren in alle Richtungen?
Hast du vielleicht eine Quelle für diese Angaben?
Ein hartes Kupferrohr (≥ 100 HV 5) wird hierbei bereits
platzen.
Ein weiches Rohr (≤ 75 HV 5) wird sich zunächst nur
plastisch verformen.
Kann ich herausfinden welche Stärke mein Kupferrohr hat?
Hast du vielleicht auch hierzu Quellen?
Gruß
Energie_1
Nur „Blödsinn“!! Welch eine Verbesserung der Sitten.
Eigentlich bin ich von Dir hier nur „Quatsch“ gewöhnt, wenn Du meine Antworten kommentierst. Weihnachten?
Mag sein, das es diesen Kugelversuch gibt. Meine Erfahrungen in Labrador, Nordkanada, Nordnorwegen und Rußland sagen aber etwas anderes.
Moin Conrad,
Mag sein, das es diesen Kugelversuch gibt.
es mag nicht sein, es gibt ihn.
Meine Erfahrungen
in Labrador, Nordkanada, Nordnorwegen und Rußland sagen aber
etwas anderes.
kann es nicht sein, daß die Rohre geborsten sind, aber nichts austrat, weil noch alles gefroren war und erst Flüssigkeit austrat, als es begann zu schmelzen?
Gandalf
Hallo Energie_1,
bis zur Kristallisation wird sich das Wasser ausschließlich nach oben ausdehnen.
Aber sobald das Eis eine sorbetartige Konsistenz aufweist, entfällt dieser Ausweg.
http://de.wikipedia.org/wiki/Dichteanomalie_des_Wass…
http://de.wikipedia.org/wiki/Wasser
http://de.wikipedia.org/wiki/Eis
Allgemeine Rohre DIN EN 12 449
Installationsrohre DIN EN 1 057
Schauen, ob Du von Deinen Rohrabmessungen auf eine Maßnorm schließen kannst.
Härte
http://de.wikipedia.org/wiki/H%C3%A4rtepr%C3%BCfung#…
oder
http://de.wikipedia.org/wiki/H%C3%A4rtepr%C3%BCfung#…
messen.
Schauen, ob Du über die Härte auf eine plausible Zugfestigkeit oder Bruchdehnung schließen kannst.
Viel Erfolg!
Gruß Fritz
Mag sein, das es diesen Kugelversuch gibt. Meine Erfahrungen
in Labrador, Nordkanada, Nordnorwegen und Rußland sagen aber
etwas anderes.
Von welchen Erfahrungen sprichst du? Gibt es da vielleicht Links zu ?
Hallo Fritz,
also nochmals vielen Dank.
Bei meinem Rohr trifft das zu: Installationsrohre DIN EN 1 057
Hab jetzt auch herausbekommen das es sich um 15mm Außendms. und 1mm Wandstärke handelt.
Ich hab mir auch die Links angeschaut, aber wie kann ich denn die Härte berechnen?
[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]
Hallo Energie_1,
zur Berechnung Deines Rohres, benötigst Du die min. Bruchdehnung A in %.
Dazu musst Du den Zustand Deines Rohres kennen.
Ein weiches R 200 kann sich vielleicht um 50% dehnen, bevor es versagt, während ein federhartes R 360 wahrscheinlich überhaupt keine Dehnung zulässt.
Um auf den Zustand und somit auf die Bruchdehnung schließen zu können, benötigst Du die Zugfestigkeit und/oder die Härte Deines Rohres.
Beides kannst Du nur messen, - nicht berechnen.
Gruß Fritz
extrem überzegende Logik
Hallo,
Eine Rohrleitung, egal, ob Kupfer oder sonstwas, platzt nicht,
wenn sie einfriert. Sie platzt, wenn sie wieder auftaut.
ja logisch, wenn eine Leitung eingefroren ist, liegt das Medium
ja auch in rel. fester Form vor. Dass sich massive Eisklumpen
durch so ein aufgeborstenes Rohr ekeln, ist dann zumindest nach
Quantentheoretischen Aspekten als eher unwahrscheinlich anzunehmen.
Beim Einfrieren einer Leitung läuft immer neues Wasser zu und
die Leitung ist dann voll mit gefrorenem Wasser.
Ah ja, ein gefrorenes Vakuum hätte mich aber tatsächlich verblüfft.
Was soll da
passieren? Nichts! Erst wenn sie auftaut und sich das Wasser
und die Luftblasen ausdehnen, kann das Rohr platzen.
Was natürlich wegen der Unkomprimierbarkeit der Luft passiert.
Weiß doch jedes Kind.
Ein eingefrorenes Wasserventil kann diesen Zustand jahrelang
durchstehen. Erst wenn es warm wird, platzt es. Das hat jeder
Gartenbesitzer schon erlebt.
Überaus logisch, das - sagt Käptn Blaubär!
In Wirklichkeit ist aber Kachelmann daran schuld, weil dem nix besseres
Einfällt,als im Winter Frost vorherzusagen, was dann des öfteren auch
tatsächlich eintrifft.
Sind also logisch durch Prophezeiung sich selbsterfüllende Ereignisse.
Eine längere Rohrleitung, die, komplett mit Wasser gefüllt,
einfriert, platzt mit Sicherheit, wenn das Warmwerden in der
Mitte anfängt. Wenn also für das sich ausdehnende Wasser kein
Platz ist. Beide Enden also noch von Eis verstopft sind. Taut
man eine Rohrleitung aber von den Enden her auf, ist die
Leitung oft zu retten.
Ah ja.
Nu erkläre mir mit der Logik nur noch mal folgende Beobachtung.
Eines Abends im Spaätherbst war in der Wasserleitung im
Hauswirtschaftsraum abends ein deutlich vernehmbarer Knack zu hören.
Draußen war es inzwischen ca. -6°C kalt und der Gardena-Plastikhahn,
welchen ich darauf hin draußen gleich mal abgeschraubt habe (nachdem ich
natürlich innen den „vergessenen“ Außenanschluss zugedreht und entwässert
hatte), war sauber geplatzt.
Gruß Uwi
Hi Energie
Klugscheissmodus ein
Wenn Du eine vorgegebene Wandstärke von 3mm hast, dann gilt bei der Auslegung des Rohrinnendurchmessers dass mit steigendem Durchmesser auch das Problem der Druckfestigkeit steigt, weil das Verhältnis Fläche zu Umfang einer Rohrleitung bei Durchmesser Vergrösserung nicht gleich bleibt. Ab welchem Innendurchmesser Wasser in der Lage ist 3mm Kupfer zu reissen weiss ich nicht. Der kleine Innendurchmesser ist der Trick bei jeder Art von Hochdruckleitungen wie zB bei Wasserstrahlschneidanlagen oder Einspritzleitungen wo Drücke um die 2.000 bar bewältigt werden und die Wandstärke auch nicht mehr als 3 mm ist. Das angesprochene Prinzip des Steine zerbersten wird zB in Norwegen in Steinbrüchen angewendet wo der Blockabbau so funktioniert dass die Bohrlöcher einer drilling line mit Wasser gefüllt werden und dann der Steinblock durch das gefrierende Wasser abgeknackt wird. Wenns nicht klappt muss grösser nachgebohrt werden. Gleiches Prinzip. Grösseres Loch = mehr Umfang = mehr Fläche in der Bohrung dadurch mehr cm² an denen die Kraft angreift. Das heisst Du musst die Kraft wissen die beim frieren von Wasser auftritt und rückrechnen ob bei Deinem Durchmesser die Streckgrenze von 3mm Kupfer erreicht wird. Ab dem Zeitpunkt des Stockgefrierens dehnt sich das Eis nach allen Seiten gleich aus und erreicht bei - 4°C auch seine grösste Volumenausdehnung. Wenn zB ein Bauteil das durchschreiten dieser Temperatur ins minus überlebt wird es erst bei Temperaturanstieg wieder gefährlich weil dann wieder der kritische Bereich durchschritten wird. Wenn das Bauteil beim Einfrieren schon einen Knacks bekommen hat wird es meistens beim auftauen den Rest bekommen. Dadurch entsteht der Eindruck dass es erst beim Auftauen reisst.
Klugscheissmodus aus
LG Lois
[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]
Moin Conrad,
Mag sein, das es diesen Kugelversuch gibt.
es mag nicht sein, es gibt ihn.
Meine Erfahrungen
in Labrador, Nordkanada, Nordnorwegen und Rußland sagen aber
etwas anderes.kann es nicht sein, daß die Rohre geborsten sind, aber nichts
austrat, weil noch alles gefroren war und
erst Flüssigkeit austrat, als es begann zu schmelzen?
Das kann nicht nur sein sondern das ist so LG Lois
Gandalf