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Massenstromeinheiten und Umrechnungen

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Kurz erklärt: massenstromeinheiten und umrechnungen

Massenstrom ist eine technische Größe, die die Masse eines Fluids angibt, das pro Zeiteinheit einen Querschnitt durchströmt. In der Verfahrenstechnik, bei Verbrennungssystemen und industriellen Prozessen ist er, besonders wenn sich die Dichte des Fluids ändern kann, ein zuverlässigeres Maß als der Volumenstrom.

Im Internationalen Einheitensystem ist die abgeleitete Einheit des Massenstroms Kilogramm pro Sekunde (kg/s); in industriellen Anwendungen wird zudem Kilogramm pro Stunde (kg/h), im Labormaßstab Gramm pro Sekunde (g/s) bevorzugt.

Physikalische Größe
Massenstrom
Dimensionssymbol
[MT⁻¹]
Abgeleitete SI-Einheit
Kilogramm pro Sekunde
SI-Einheitensymbol
kg/s
Grundformel
ṁ = ρ × Q (Dichte × Volumenstrom)

Was ist Massenstrom?

Massenstrom gibt die Masse eines Fluids an, die pro Zeiteinheit einen Querschnitt durchströmt, und wird meist mit dem Symbol ṁ (m mit Punkt) dargestellt. Er steht über die Formel ṁ = ρ × Q mit Dichte (ρ) und Volumenstrom (Q) in Beziehung.

Nach dem Prinzip der Massenerhaltung bleibt der Massenstrom bei einer stationären Strömung an jedem Querschnitt eines Rohres entlang des gesamten Rohres konstant -- auch wenn sich Querschnittsfläche oder Strömungsgeschwindigkeit ändern.

Warum unterscheidet sich Massenstrom vom Volumenstrom?

Volumenstrom (m³/s) misst das Volumen eines Fluids, während Massenstrom direkt die Masse misst. Bei kompressiblen Fluiden (wie Gasen) ändert sich die Dichte mit Druck und Temperatur, sodass eine Gasströmung mit gleichem Massenstrom an unterschiedlichen Stellen entlang eines Rohres einen unterschiedlichen Volumenstrom aufweisen kann.

Deshalb bevorzugen Ingenieure bei Anwendungen mit erheblich veränderlicher Dichte -- etwa Verbrennungssystemen, Gasturbinen und Kompressoren -- meist den Massenstrom: er ist ein direkt mit dem Massenerhaltungssatz vereinbares, druck- und temperaturunabhängiges Maß.

Massenstrom in Verbrennungs- und Motorsystemen

In Verbrennungsmotoren und Strahltriebwerken beeinflusst der Massenstrom von Luft und Kraftstoff unmittelbar Verbrennungseffizienz und Motorleistung. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (nach Masse) ist ein kritischer Parameter, der für eine effiziente und saubere Verbrennung präzise geregelt werden muss.

Der in modernen Fahrzeugen verwendete 'Luftmassenmesser' (Mass Air Flow, MAF-Sensor) misst direkt den Massenstrom der in den Motor einströmenden Luft und stellt sicher, dass das Einspritzsystem die richtige Kraftstoffmenge zuführt.

Massenstrom in der Verfahrenstechnik

Bei der Auslegung chemischer Prozesse bildet der Massenstrom von Edukten und Produkten die Grundlage für Stoffbilanzberechnungen; die insgesamt in einen Reaktor eintretende Masse muss der insgesamt austretenden Masse entsprechen (sofern während der Reaktion keine Stoffverluste auftreten).

Dieses Prinzip ist eines der grundlegendsten technischen Werkzeuge bei der Auslegung und Effizienzanalyse industrieller Anlagen und wird meist in kg/h oder t/h angegeben.

Wie wird Massenstrom gemessen?

Coriolis-Durchflussmesser sind Präzisionsgeräte, die den Massenstrom eines Fluids direkt messen können; sie funktionieren, indem sie die Coriolis-Kraft messen, die entsteht, wenn das Fluid ein schwingendes Rohr durchströmt, und sind von Dichteänderungen unabhängig.

Alternativ kann der Massenstrom auch indirekt berechnet werden, indem der Volumenstrom gemessen und mit der ebenfalls gemessenen Dichte multipliziert wird; diese Methode erfordert jedoch eine genaue und aktuelle Kenntnis der Dichte.

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Quellen

  1. BIPM: The International System of Units (SI Brochure)
  2. NIST: Guide for the Use of the International System of Units

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