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Die Erfindung betrifft einen Rohrleitungseinsatz, mit welchem eine gasförmige oder flüssige Strömung beeinflusst werden kann. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Beeinflussung der Strömung in einer Rohrleitung für Gas- und Flüssigkeitsströmungen.
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Ein Rohrleitungseinsatz ist beispielsweise aus der
CH 167 506 A bekannt. Der bekannte Rohrleitungseinsatz weist ein Durchflussfilter auf.
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Das Geschwindigkeitsprofil eines in einer Rohrleitung strömenden Mediums nähert sich typischerweise einer parabolischen Form umso mehr an, je länger das Medium durch die Rohrleitung strömt. Sollen beispielsweise Experimente an einer Rohrleitungsanordnung durchgeführt werden, welche von einem Medium mit parabolischer Geschwindigkeitsverteilung durchströmt wird, so ist eine ausreichend lange Strömungsstrecke zur Verfügung zu stellen, in welcher sich das gewünschte, das heißt parabolische, Geschwindigkeitsprofil ausbilden kann. Abhängig vom Durchmesser der Rohrleitung, von der Beschaffenheit deren Innenwandung, von den Eigenschaften des Mediums sowie von der Strömungsgeschwindigkeit kann die Länge dieser Strecke, innerhalb welcher sich das Geschwindigkeitsprofil bis zum Erreichen des parabolischen Profils signifikant ändert, mehrere Hundert Meter betragen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das schnelle Ausbilden eines parabolischen Geschwindigkeitsprofils in einer von einer Flüssigkeit oder von einem Gas durchströmten Rohrleitung zu unterstützen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Rohrleitungseinsatz mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Beeinflussung der Strömung in einer Rohrleitung gemäß Anspruch 9.
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In der Regel wird von einer Rohrleitung mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgegangen. In Einzelfällen kann jedoch auch ein nicht kreisförmiger, beispielsweise polygonförmiger Querschnitt der Rohrleitung gegeben sein. In allen Fällen weist die Rohrleitung eine definierte Mittelachse auf, welche mit der Mittelachse des Rohrleitungseinsatzes exakt oder zumindest im Wesentlichen übereinstimmt. Von einer Übereinstimmung „im Wesentlichen“ wird im vorliegenden Fall gesprochen, wenn zwischen den Achsen ein Versatz von nicht mehr als einem Viertel des Innendurchmessers der Rohrleitung gegeben ist und ein eventueller Winkelfehler zwischen den Achsen nicht mehr als 20° beträgt.
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Durch den Rohrleitungseinsatz wird die Strömung in der Rohrleitung gezielt beeinflusst. Zu diesem Zweck weist der Rohrleitungseinsatz mehrere konzentrisch zueinander angeordnete Strömungsbeeinflussungsbereiche auf, welche derart ausgebildet sind, dass sie einer Strömung in der Rohrleitung einen von der Mittelachse nach außen, das heißt zum Rand des Rohrleitungseinsatzes und damit auch zur Wandung der Rohrleitung hin, zunehmenden Widerstand entgegensetzen. Durch den relativ geringen Widerstand im Bereich der Mittelachse wird in diesem Bereich eine im Vergleich zu den äußeren Bereichen höhere Strömungsgeschwindigkeit erzielt, wobei dieser Effekt deutlich über ohnehin gegebene Effekte hinausgeht, die auf Reibung an der Wandung der Rohrleitung zurückzuführen sind.
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Der Durchmesser des Rohrleitungseinsatzes stimmt in typischer Ausgestaltung mit dem Durchmesser der Rohrleitung überein. Die im Vergleich zu den wandungsnahen Bereichen deutlich erleichterte Durchströmbarkeit des Rohrleitungseinsatzes in dessen zentralem Bereich sorgt mit hoher Effizienz dafür, dass stromabwärts des Rohrleitungseinsatzes eine schnelle Approximation an ein parabolisches Geschwindigkeitsprofil erfolgt.
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Die verschiedenen, zur Mittelachse konzentrischen Strömungsbeeinflussungsbereiche des Rohrleitungseinsatzes unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich der Porengrößen, die in den einzelnen Bereichen gegeben sind, voneinander. Der Begrifft „Poren“ wird im vorliegenden Fall unabhängig davon verwendet, ob die Strömungsbeeinflussungsbereiche eine geometrisch definierte oder eine geometrisch nicht definierte Struktur aufweisen. Von einer geometrisch definierten Struktur wird beispielsweise im Fall eines gelochten Bleches oder eines Drahtgewebes gesprochen.
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Eine geometrisch nicht definierte Filterstruktur kann dagegen insbesondere durch körniges oder geschäumtes Material mit variierender Permeabilität gebildet sein. Wird die Strömung durch einzelne Partikel, das heißt granularem Material, beeinflusst, so können die Partikel entweder in Form einer losen Schüttung oder in Form stoffschlüssig miteinander verbundener, beispielsweise an ihren Kontaktpunkten verklebter oder verschweißter Teilchen vorliegen. In diesem Zusammenhang wird auf die
DE 197 15 196 C2 hingewiesen, die ein Filterelement aus zusammengesinterten Kunststoffteilchen beschreibt. Im Fall metallischer Partikel, die miteinander zu verbinden sind, können mechanisch belastbare Verbindungen auch durch die Durchleitung eines elektrischen Stroms hergestellt werden.
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Im Zusammenhang mit filternden Materialien wird ferner auf folgende Veröffentlichung hingewiesen:
- C. Celebican, S. Tanefo, F. Durst, C. Reichel: „Permeability and the Ergun Equation as a Basis for Permeability Measurements of Metallic Foams and Wire Meshes“, https://doi.org/10.1007/sll242-021-01579-l, Transport in Porous Media, online published 05. April 2021
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Unabhängig von der detaillierten Geometrie der die Strömung beeinflussenden Bereiche existieren beispielsweise ein zentraler, kreisscheibenförmigen Strömungsbeeinflussungsbereich sowie mehrere diesen zentralen Bereich umgebende, jeweils ringförmige Strömungsbeeinflussungsbereiche, wobei alle Strömungsbeeinflussungsbereiche jeweils in sich zumindest näherungsweise einheitlich strukturiert sind. Gemäß einer optionalen Ausgestaltung sind zwischen den verschiedenen Strömungsbeeinflussungsbereichen Wandungen vorhanden. Durch die jeweils ringförmigen Wandungen können Zuströmöffnungen ausgebildet sein, welche Teilströme des durch die Rohrleitung strömenden, flüssigen oder gasförmigen Mediums gezielt den einzelnen Strömungsbeeinflussungsbereichen zuführen.
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In alternativer Ausgestaltung gehen unterschiedliche Strömungsbeeinflussungsbereiche kontinuierlich ineinander über, so dass insbesondere ein Gradient der Porengröße in radialer Richtung des Rohrleitungseinsatzes gegeben ist. Die verschiedenen Eigenschaften, was die Beeinflussung der Strömung betrifft, können hierbei zum Beispiel durch unterschiedlich große Partikel einer Schüttung, welche sich im Rohrleitungseinsatz befindet, bestimmt sein. Die Methode der Einstellung der Durchströmbarkeit durch unterschiedliche Partikelgrößen in Schüttungen oder in gesinterten Objekten kann auch im Fall in sich jeweils einheitlich aufgebauter, optional durch Wandung getrennter Strömungsbeeinflussungsbereiche angewandt werden.
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Der Rohrleitungseinsatz kann, in Strömungsrichtung betrachtet, entweder eine durchbrochene, das heißt anschaulich gesprochen partiell durchsichtige Komponente, oder eine in der genannten Blickrichtung vollflächig ausgefüllt erscheinende, Komponente darstellen. Der letztgenannte Fall bedeutet, dass eine Projektion der Strömungsbeeinflussungsbereiche in axialer Richtung, das heißt in Strömungsrichtung, eine komplett abgedeckte Fläche darstellt. Dies ist gleichbedeutend damit, dass keine komplette Durchströmung des Rohrleitungseinsatz in durchgehend axialer Richtung möglich ist. Im umgekehrten, durchbrochen erscheinenden Fall weist dagegen zumindest ein Teil der Strömungsbeeinflussungsbereiche offene Querschnittsbereiche auf, sodass in den entsprechenden Bereichen eine Durchströmung des Rohrleitungseinsatzes in gleichbleibender, axialer Richtung möglich ist.
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Allgemein sieht das Verfahren zur Beeinflussung der Strömung in einer Rohrleitung vor, dass die Strömung in einem äußeren, wandungsnahen Bereich der Rohrleitung durch in die Rohrleitung eingesetzte Mittel, insbesondere in Form einer sieb- oder schwammartigen, nicht notwendigerweise in sich komplett starren Struktur, stärker behindert wird als im Bereich der Mittelachse der Rohrleitung, so dass die genannten Mittel im Sinne der schnellen Ausbildung eines parabolischen Geschwindigkeitsprofils in der Rohrleitung wirksam sind.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen der Reynoldszahl und einer in einer Rohrleitung für die Ausbildung eines gleichbleibenden, parabolischen Geschwindigkeitsprofils erforderlichen Strecke für verschiedene, jeweils einen Rohrleitungseinsatz aufweisende Rohrleitungssysteme, welche einen längeren, geraden Rohrleitungsabschnitt umfassen,
- 2 idealisierte Geschwindigkeitsprofile, welche mit Hilfe eines Rohrleitungseinsatzes mit fünf beziehungsweise zehn verschiedenen Strömungsbeeinflussungsbereichen erzielbar sind,
- 3 die Annäherung des Geschwindigkeitsprofils an eine ideale parabolische Form im Fall von 2 (links) für verschiedene Reynoldszahlen, wobei in jedem Fall das Abklingen der Abweichung von einem parabolischen Strömungsprofil erkennbar ist,
- 4 einen Satz Diagramme analog 3 für den in 2 (rechts) dargestellten Fall, das heißt für einen Rohrleitungseinsatz mit zehn ringförmigen Rohreinsatzkanälen,
- 5 ein fluidführendes System mit verschiedenen Geschwindigkeitsprofilen, unter anderem einem Einströmprofil und einem Profil an einer Rohrausströmung,
- 6 einen Ausschnitt aus der Anordnung nach 5 einschließlich eines in einer Rohrleitung befindlichen Rohrleitungseinsatzes, welcher gitterförmige Strukturen aufweist,
- 7 Einzelheiten des Rohrleitungseinsatzes aus 6 mit andeutungsweise dargestellten, sich von der Mittelachse des Rohrleitungseisatzes nach außen ändernden, nämlich verdichtenden, Gitterstrukturen.
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Die Figuren sind teilweise grob schematisiert und beziehen sich auf ein Leitungssystem, in dem entweder ein flüssiges oder ein gasförmiges Medium strömen kann. Die 1 knüpft an folgende, als [12] bezeichnete Veröffentlichung an:
- Durst, F., Ray, S.: Usual B. Bayoumi. The Development Lengths of Laminar Pipe and Channel Flows, Jour. Fluids Eng. (27), 1154 - 1160, (2005)
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Enthalten sind in 1 auch Werte aus folgender Veröffentlichung:
- Brocklebank, M. P., Smith, J. M.: Laminar velocity profile development in straight pipes of circular cross section, Rheologica Acta, 7/3, 286 - 289, 1968
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Die Länge einer Rohrleitung, welche zur Erreichung eines parabolischen Geschwindigkeitsprofils benötigt wird, ist mit L bezeichnet. D bezeichnet den Durchmesser der Rohrleitung. Wie aus 1 hervorgeht, sind in konventionellen Rohrleitungsanordnungen, wobei von einem Durchmesser D von mindestens 30 mm ausgegangen wird, große Längen-/Durchmesserverhältnisse erforderlich, um hohe Reynoldszahlen zu erreichen. Zusätzlich gehen aus 1 die Einflüsse von Rohrleitungseinsätzen 5 hervor, die eine Anzahl von N = 5 oder N = 10 Strömungsbeeinflussungsbereichen 7, 8, auf welche im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, aufweisen.
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Wie aus 1 hervorgeht, führen die Rohrleitungseinsätze 5 dazu, dass im Vergleich zu Rohrleitungen ohne Einsätze bereits bei vergleichsweise geringen Rohrleitungslängen Effekte erzielbar sind, für die ansonsten räumlich sehr viel ausgedehntere Rohrleitungen und damit Versuchsaufbauten erforderlich wären.
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Ein idealisiertes Strömungsprofil für die Fall N = 5 ist in 2 links dargestellt. Der Radius einer Rohrleitung 4 ist hierbei normiert. Das rechte Diagramm in 2 zeigt, ebenfalls idealisiert, das Geschwindigkeitsprofil im Fall von zehn verschiedenen, konzentrisch ineinander geschachtelten Strömungsbeeinflussungsbereichen 7, 8.
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Die Diagramme nach 3 beziehen sich auf die Situation nach 2 (links), worauf sich auch die mit N = 5 bezeichnete Kurve in 1 bezieht. In den beiden oberen Diagrammen in 3 ist eine Reynoldszahl Re = 10000 eingestellt; in den beiden unteren Diagrammen beträgt die Reynoldszahl Re = 50000. Der Vergleich der beiden Diagramme in der linken Spalte von 3 zeigt, dass bei einer vergleichsweise niedrigen Reynoldszahl eine schnellere Annäherung an ein Zielprofil, das heißt parabolisches Profil, der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt. Im Detail geht die Annäherung des Geschwindigkeitsprofils an das parabolische Profil aus den beiden Diagrammen in der rechten Spalte von 3 hervor.
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Die Diagramme nach 4 unterscheiden sich von den Diagrammen nach 3 dadurch, dass der Fall eines Rohrleitungseinsatzes 5 mit zehn verschiedenen Strömungsbeeinflussungsbereichen 7, 8, das heißt N = 10, betrachtet wird. Grundsätzlich stimmen die beobachtbaren Effekte mit dem in 3 betrachteten Fall überein, wobei eine Erhöhung der Kanalzahl N zu reduzierten Entwicklungslängen führt.
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Aus den 5 und 6 geht in groben Zügen der Aufbau eines insgesamt mit 1 bezeichneten fluidführenden Systems hervor, welches die Rohrleitung 4 sowie den Rohrleitungseinsatz 5 umfasst. Angedeutet ist ein Behälter 2, an den sich ein konischer Abschnitt 3 anschließt, der wiederum in die Rohrleitung 4 übergeht. Der Rohrleitungsauslass ist mit 6 bezeichnet. Das Fluid strömt, bezogen auf die Anordnung nach den 5 und 6, von links nach rechts. Das Geschwindigkeitsprofil innerhalb des Behälters 2 ist mit A bezeichnet. Durch die Verjüngung, welche in Form des konischen Abschnitts 3 gegeben ist, nimmt die Geschwindigkeit des strömenden Fluids zu, wie in 5 bei B angedeutet ist. Am Eingang der Rohrleitung 4 ist hierbei die Strömungsgeschwindigkeit praktisch über den gesamten Rohrleitungsquerschnitt nahezu identisch. Das Geschwindigkeitsprofil hat an dieser Stelle dementsprechend eine nahezu rechteckige Form.
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Einzelheiten des Rohrleitungseinsatzes 5, welcher für eine rasche Entwicklung des parabolischen Geschwindigkeitsprofils, wie in 5 eingezeichnet, sorgt, sind in 7 visualisiert. Hieraus geht hervor, dass ein erster, in 5 nur angedeuteter Strömungsbeeinflussungsbereich 7, welcher nahe der Mittelachse MA des Rohrleitungseinsatzes 5 und damit auch der Mittelachse der Rohrleitung 4 angeordnet ist, zahlreiche große Öffnungen 9 aufweist, wogegen ein zweiter, ebenfalls in 5 nur ansatzweise eingezeichneter Strömungsbeeinflussungsbereich 8, welcher sich näher an der Innenwandung der Rohrleitung 4 befindet, mit vergleichsweise kleinen Öffnungen 9 versehen ist. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit werden die Öffnungen 8, 10 auch als Poren bezeichnet. Die größte Porengröße ist in einem zentralen Strömungsbeeinflussungsbereich 11, das heißt unmittelbar um die Mittelachse MA, gegeben. Durch jeden Strömungsbeeinflussungsbereich 7, 8, 11 ist eine Siebstruktur 12 beschrieben.
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In dem in den 6 und 7 skizzierten Fall wird davon ausgegangen, dass die Stegbreite der in den verschiedenen Bereichen 7, 8, 11 gegebenen Siebstruktur 12 einheitlich ist. Durch die voneinander abweichenden Porengrößen ergibt sich hieraus, dass der Anteil der offenen, das heißt nicht durch Stege abgedeckten Fläche an der Gesamtfläche des jeweiligen Strömungsbeeinflussungsbereichs 7, 8, 11 vom Bereich 11 zum Bereich 8, das heißt von innen nach außen, abnimmt. Der gleiche Effekt wäre durch unterschiedliche Stegbreiten in den verschiedenen Bereichen 7, 8, 11 erzielbar, wobei in diesem Fall die geringste Stegbreite im zentralen jeweiligen Strömungsbeeinflussungsbereich 11 und die größte Stegbreite der Siebstruktur 12 im äußersten, bis zur Innenwandung der Rohrleitung 4 reichenden Strömungsbeeinflussungsbereich 8 vorliegen würde.
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Die radial nach außen dichter werdende Siebstruktur 12 sorgt dafür, dass das strömende Medium im Randbereich des insgesamt kreisförmigen Strömungsquerschnitts besonders stark gebremst wird, wogegen im zentralen Bereich des Rohrleitungseinsatzes 5 eine weitgehend ungehinderte Strömung möglich ist. Insgesamt unterstützt der Rohrleitungseinsatz 5 damit maßgeblich die rasche Ausbildung des gewünschten parabolischen Geschwindigkeitsprofils innerhalb der Rohrleitung 4.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- fluidführendes System
- 2
- Behälter
- 3
- konischer Abschnitt
- 4
- Rohrleitung
- 5
- Rohrleitungseinsatz
- 6
- Rohrleitungsauslass
- 7
- Strömungsbeeinflussungsbereich
- 8
- Strömungsbeeinflussungsbereich
- 9
- Öffnung, Pore
- 10
- Öffnung, Pore
- 11
- zentraler Strömungsbeeinflussungsbereich
- 12
- Siebstruktur
- D
- Durchmesser
- MA
- Mittelachse
