DE102008036602A1 - Pipe for transporting flow medium, has multilayer pipe wall with wall structure made of elastic flexible sublayers, where transition between laminar and turbulent flows is produced by pipe, and is shifted to high Reynolds number - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Rohr zum Transport strömender Medien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a pipe for transporting flowing media according to the preamble of claim 1.
Rohre mit einer mehrschichtigen Rohrwand sind bekannt. Bei derartigen Rohren weist die Rohrwand einen schichtartigen Aufbau aus zum Teil verschiedenen Materialien auf. So sind beispielsweise flexible vorgedämmte mehrschichtige Trinkwasserleitungen bekannt. Mehrschichtige Rohre werden auch in Großraumflugzeugen aus Gewichtsgründen zunehmend öfter verbaut. Dabei spielen vorwiegend Sicherheitsaspekte eine Rolle.Tube with a multilayer pipe wall are known. In such Pipes, the pipe wall has a layered structure of part different materials. For example, flexible pre-insulated ones multi-layer drinking water pipes known. Multilayer pipes are becoming increasingly common in wide-body aircraft for weight reasons installed. Safety aspects play a major role here.
Die
Druckschriften
Die
Druckschriften
Die
Druckschriften
Bei der Strömung von Medien in einem Rohr treten Rohrreibungsverluste auf. Um diese Rohrreibungsverluste zu minimieren, werden nach dem Stand der Technik Rohre mit einer hydraulisch glatten Innenfläche eingesetzt. Diese werden aus entsprechend glatten Materialien und/oder durch spezielle Fertigungsverfahren hergestellt.at the flow of media in a pipe will cause pipe friction losses on. In order to minimize these pipe friction losses, are according to the state technology tubes with a smooth hydraulic inner surface used. These are made of correspondingly smooth materials and / or produced by special manufacturing processes.
Allgemein gilt beim Betrieb einer Rohrleitung bzw. eines Leitungsnetzes, dass der zum Umtreiben eines Mediums erforderliche Energieaufwand proportional zu dem im gesamten Netz auftretenden Druckverlust ist. Der Druckverlust ist die in den Rohrleitungen, Formstücken, Armaturen usw. entstehende Druckdifferenz zwischen zwei Messpunkten. Diese Druckdifferenz hat ihre Ursache in der als Rohrreibung bezeichneten Reibung zwischen dem Medium und dem Rohr sowie in der inneren Reibung des Mediums selbst.Generally applies when operating a pipeline or a pipeline network that the energy required to drive a medium proportionally to the pressure loss occurring throughout the network. The pressure loss is the in the piping, fittings, fittings, etc. resulting pressure difference between two measuring points. This pressure difference has its cause in the friction called friction between the medium and the tube as well as the internal friction of the medium even.
Die Größe der Rohrreibung ist abhängig von der Art der Strömung, der Strömungsgeschwindigkeit, dem Rohrdurchmesser und der Rauhigkeit des Rohres. Dabei unterscheiden sich die Rohrreibungsverluste für eine laminare Strömung auf grundsätzliche Weise von denen, die bei einer turbulenten Strömung im Rohr auftreten.The Size of the pipe friction depends on the Type of flow, flow velocity, the pipe diameter and the roughness of the pipe. Distinguish it the pipe friction losses for a laminar flow in a fundamental way of those who are in a turbulent Flow in the pipe occur.
Die Grenze zwischen laminarer und turbulenter Strömung wird durch die so genannte Reynoldszahl Re beschrieben. Die Reynoldszahl ist abhängig von der mittleren Fließgeschwindigkeit v des Mediums und eine charakteristischen Länge L und der kinematischen Viskosität des strömenden Mediums ν. Bei Rohrströmungen entspricht L dem lichten Durchmesser D des Rohres. Empirisch zeigt sich, dass bei einem Wert von Re = 2000 die laminare Strömung im Rohr in die turbulente Strömung umschlägt. Diese setzt besonders schnell innerhalb von Armaturen und Abzweigungen ein.The Boundary between laminar and turbulent flow becomes described by the so-called Reynolds number Re. The Reynolds number depends on the average flow velocity v of the medium and a characteristic length L and the kinematic viscosity of the flowing medium ν. For pipe flows, L corresponds to the clear diameter D of the pipe. Empirically, it turns out that at a value of Re = 2000 the laminar flow in the pipe into the turbulent flow turns. This sets particularly fast within valves and branches.
Beim Übergang von der laminaren zu turbulenten Strömung steigt der Reibungsverlust im Rohr stark an. Bei hydrodynamisch glatten Rohren beträgt diese Zunahme etwa 60%. Bei einer Vergrößerung der Reynoldszahl auf einen Wert von Re = 4000 beträgt die Zunahme der Rohrleitungsverluste im Vergleich zur laminaren Strömung bei aus dem Stand der Technik bekannten Rohren bereits 150% und ist damit überaus beträchtlich.At the transition from laminar to turbulent flow, the friction loss increases strong in the pipe. For hydrodynamically smooth tubes this is Increase about 60%. At an increase in the Reynolds number to a value of Re = 4000 is the increase in the pipeline losses Compared to the laminar flow at from the state of Technik known tubes already 150% and is thus exceedingly considerably.
Die laminare Strömung eines Mediums bei einer niedrigen Reynoldszahl innerhalb eines Rohres erweist sich somit als besonders verlustarm und effektiv. Ein Nachteil dieser Strömung ist allerdings, dass die laminare Strömung stets mit verhältnismäßig geringen Strömungsgeschwindigkeiten verbunden ist.The laminar flow of a medium at a low Reynolds number within a pipe thus proves to be particularly low loss and effective. A disadvantage of this flow, however, is that the laminar flow always with relative low flow rates is connected.
Es besteht somit die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Rohr anzugeben, mit dem die Grenze zwischen laminarer Strömung und turbulenter Strömung zu größeren Strömungsgeschwindigkeiten verschoben werden und somit die Reibungsverluste und der nötige Energiebedarf für den Strömungstransport von Medien minimiert werden kann.It Thus, there is the problem underlying the invention, a pipe specify the boundary between laminar flow and turbulent flow to larger ones Flow rates are shifted and thus the friction losses and the necessary energy consumption for the flow of media can be minimized.
Die Aufgabe wird mit einem Rohr zum Transport strömender Medien mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige bzw. vorteilhaftes Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Rohres.The Task is with a pipe to transport flowing media solved with the features of claim 1. The dependent claims contain expedient or advantageous embodiments of the tube according to the invention.
Zur Lösung der Aufgabe wird dabei auf ein Rohr zum Transport strömender Medien mit einer mehrschichtigen Rohrwand zurückgegriffen. Dieses Rohr zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die mehrschichtige Rohrwand einen Wandaufbau aus elastisch nachgiebigen Teilschichten aufweist, wobei durch das mit diesem Wandaufbau gebildete Rohr ein zu einer höheren Reynoldszahl verschobener Übergang zwischen einer laminaren Strömung und einer turbulenten Strömung erzeugbar ist.To solve the problem is used on a pipe for transporting media flowing with a multi-layer pipe wall. This tube is inventively characterized in that the multi-layer pipe wall has a wall structure of elastically resilient sub-layers, wherein ver through the pipe formed with this wall structure to a higher Reynolds number schobener transition between a laminar flow and a turbulent flow can be generated.
Der so gebildete Wandaufbau bewirkt, dass lokal erhöhte Drücke innerhalb des Mediums durch das Zusammenpressen der Teilschichten absorbiert und damit reduziert werden. Dadurch wird der Herausbildung von Wirbeln und somit letztlich dem Umschlag der laminaren zur turbulenten Strömung vorgebeugt. Dieser Umschlag findet im Vergleich zu einem konventionellen Rohr somit erst bei größeren Strömungsgeschwindigkeiten, d. h. bei größeren Reynoldszahlen, statt. Darüber hinaus bewirkt diese Gestaltung des Wandaufbaus auch eine Reduktion der Wirbelbildung im turbulent strömenden Medium, sodass auch bei einer turbulenten Strömung die Reibungsverluste der Strömung deutlich minimiert sind.Of the So formed wall construction causes locally increased pressures within the medium by compressing the sublayers absorbed and thus reduced. This will be the formation from whirling and thus ultimately the envelope of laminar to turbulent Flow is prevented. This envelope is compared to a conventional pipe thus only at higher flow velocities, d. H. at larger Reynolds numbers, instead. About that In addition, this design of the wall structure also causes a reduction of Vortex formation in turbulent flowing medium, so too in a turbulent flow, the friction losses of Flow are significantly minimized.
Die Teilschichten des Wandaufbaus bestehen bei einer zweckmäßigen Ausführungsform aus einem äußeren festen Grundgerüst, einer nachgiebigen Mittelschicht und einer nachgiebigen Innenschicht.The Partial layers of the wall structure exist in a functional Embodiment of an outer solid Basic framework, a resilient middle class and a compliant inner layer.
Das äußere feste Grundgerüst bildet eine stabile Außenhülle des Rohres, die Mittelschicht und die Innenschicht bewirken die erwähnte Reduktion der in dem Rohr auftretenden Turbulenzen.The outer solid framework forms a stable outer shell of the tube, the middle layer and the inner layer cause the mentioned reduction of turbulence occurring in the pipe.
Es ist vorteilhaft, wenn die Innenschicht einen im Vergleich zur Mittelschicht höheren Elastizitätsmodul aufweist. Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform besteht die Mittelschicht aus einem weichen bis flüssigen Material, während die Innenschicht aus einem weichen aber festen Material gebildet ist. Eine derartige Gestaltung des Schichtaufbaus sichert eine besonders gute lokale Druckreduktion.It is advantageous if the inner layer is one compared to the middle layer has higher modulus of elasticity. At a particularly advantageous embodiment the middle layer consists of a soft to liquid Material, while the inner layer of a soft though solid material is formed. Such a design of the layer structure ensures a particularly good local pressure reduction.
Bei einer weiteren Ausführungsform enthält die Innenschicht feste Partikel. Damit wird zum einen die Innenschicht stabilisiert. Zum anderen hat sich gezeigt, dass eine derartige Modifikation der Innenschicht zu einer verbesserten Funktion der Innenschicht beitragen kann.at Another embodiment includes the inner layer solid particles. This stabilizes the inner layer on the one hand. On the other hand, it has been shown that such a modification of the Inner layer contribute to an improved function of the inner layer can.
Bei einer ersten Ausführungsform ist sowohl die Innenschicht, als auch die Mittelschicht aus dem gleichen Material ausgebildet, wobei das Material je nach Schicht eine unterschiedliche Dichte aufweist.at a first embodiment, both the inner layer, as well as the middle layer made of the same material, wherein the material has a different density depending on the layer having.
Bei einer zweiten Ausführungsform sind die Mittelschicht und die Innenschicht aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet.at In a second embodiment, the middle layer and the inner layer formed of different materials.
Das
erfindungsgemäße Rohr soll nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen näher erläutert
werden. Zur Verdeutlichung dient die beigefügte
Die äußere
Schicht der mehrschichtigen Rohrwand wird durch ein Grundgerüst
Bei einer weiteren Ausführungsform besteht das Grundgerüst aus einem Verbundwerkstoff aus einer Armierung und einem die Armierung umgebenden Deckmaterial oder einem Faserverbund.at Another embodiment consists of the skeleton made of a composite of a reinforcement and a reinforcement surrounding cover material or a fiber composite.
Das Grundgerüst bildet gleichzeitig die äußere Rohrhülle mit den üblichen Dichtflächen, Anschlussstutzen, Anschlussgewinden und dergleichen Anschlussmitteln. Diese sind so ausgebildet, dass das Rohr problemlos unter Anwendung der bekannten Installationsverfahren montiert werden kann.The The basic structure simultaneously forms the outer one Tubular casing with the usual sealing surfaces, Connecting pieces, connecting threads and the like connection means. These are designed so that the pipe can be easily used the known installation method can be mounted.
Das
Grundgerüst
Zweckmäßig ist eine nachgiebige, weiche Mittelschicht in Kombination mit einer durch einen größeren Elastizitätsmodul ausgezeichneten Innenschicht. Als Mittelschicht kommen insbesondere Bedeckungen aus einem hoch viskosen, teilweise flüssigen oder gelartigen Material in Betracht. Die Flüssigkeit bzw. das Gel ist bei Bedarf in einem schlauchartigen Behältnis eingeschlossen.expedient is a pliant, soft middle layer in combination with a through a larger modulus of elasticity excellent inner layer. As a middle class come in particular Coverings of a highly viscous, partially liquid or gelatinous material. The liquid or If necessary, the gel is in a tube-like container locked in.
Die Mittelschicht kann auch aus einem festen Material bestehen. Hierfür kommen Elastomere, Gummi- oder Kautschuk-Werkstoffe in Betracht. Verwendbar sind dabei sowohl kompakte Materialschichten als auch aufgelockerte Materialstrukturen, wie beispielsweise Schäume bzw. Schwämme.The Middle layer can also consist of a solid material. Therefor Elastomers, rubber or rubber materials are considered. Usable are both compact material layers as well loosened material structures, such as foams or sponges.
Die
Innenschicht
Zur Erhöhung der Festigkeit der Innenschicht gegenüber thermischen bzw. chemischen Belastungen ist bei einer Ausführungsform eine Beschichtung vorgesehen. Die Beschichtung kann in Form einer Metallisierung oder einer Kunststoffbedeckung ausgeführt sein.To increase the strength of the interior Layer against thermal or chemical loads in one embodiment, a coating is provided. The coating may be in the form of a metallization or a plastic covering.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Innenschicht eingebettete Partikel auf. Diese stabilisieren die Struktur der Innenschicht.at In another embodiment, the inner layer is embedded Particles on. These stabilize the structure of the inner layer.
Für eine verbesserte Haftung der Mittelschicht an dem Grundgerüst sind bei einer zweckmäßigen Ausführungsform auf der Innenseite des Grundgerüstes Ausformungen bzw. Aufrauhungen vorgesehen, mit denen der Kontakt zwischen Mittelschicht und Grundgerüst besonders widerstandsfähig ausgebildet werden kann.For improved adhesion of the middle layer to the backbone are in an expedient embodiment on the inside of the skeleton formations or Roughing provided with which the contact between middle class and backbone made particularly resistant can be.
Ein Rohr mit den hier beschriebenen Merkmalen ermöglicht eine deutliche Verschiebung des Umschlagpunktes zwischen laminarer und turbulenter Strömung. Versuche haben gezeigt, dass sich die mit diesem Umschlag verknüpfte Reynoldszahl von Re = 2000 auf Re = 4000 steigern lässt. Dies bedeutet insbe sondere, dass das im Rohr strömende Medium bei einer im Vergleich zu konventionellen Rohren verdoppelten Strömungsgeschwindigkeit noch ein laminares Strömungsverhalten zeigt. Dies schlägt sich insbesondere in einem bei dieser Reynoldszahl um 40% verringerten Reibungsverlust nieder.One Pipe with the features described here allows a clear shift of the transition point between laminar and turbulent flow. Experiments have shown that the Reynolds number of Re. associated with this envelope = 2000 increase to Re = 4000. This means in particular special, that the medium flowing in the tube at one compared flow rate doubled to conventional tubes still shows a laminar flow behavior. This beats especially in one at this Reynolds number decreased by 40% Loss of friction down.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen bzw. durch fachmännisches Handeln.Further Embodiments emerge from the subclaims or by expert action.
- 11
- Grundgerüstbackbone
- 22
- Mittelschichtmiddle class
- 33
- Innenschichtinner layer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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