DE19806513A1 - Konstruktive Elemente zur Verbesserung des Fluidstroms in Rohren - Google Patents

Description

1. Einführung 1.1. Problematik

Nach bekanntem Stand technischer Strömungslehre ergibt sich folgende Ausgangssituation:
Ein ideales Fluid ist als reibungsfrei definiert. Bei laminarer Strömung wird Reibung als nicht gegeben erachtet. Innerhalb eines Fluids werden Reibungsverluste als nicht gegeben erachtet, sondern findet lediglich ein Austausch kinetischer Energie von Fluidteilen zwischen benachbarten Stromröhren unterschiedlicher Geschwindigkeit statt. Die Reibungsverluste durch Haftung des Fluids an der Rohrwandung beschränken sich auf eine dünne Grenzschicht. Die Reibungsverluste werden in Form von Wärme abgegeben. Einbauten im Rohr bzw. Armaturen bedingen jedoch beachtliche Reibung.

Für praktisch alle technischen Anwendungen gilt jedoch folgendes:
Fast alle Flüssigkeiten, Dämpfe oder Gase sind nicht ideale Fluide sondern reale Fluide und unterliegen der Reibung. In technischen Rohrsystemen ist laminare Strömung nur selten gegeben, vorherrschend ist die tur­ bulente Strömung. Gegenüber der Betrachtung des idealen Fluids bzw. der laminaren Strömung ergeben sich enorme Widerstände bei der Strömung von realem Fluid in Rohrsystemen praktisch aller technischen Anwend­ ungen. Der Durchsatz von Fluid durch ein Rohrsystem erfordert Energieaufwand bzw. ergibt Energieverlust.

Für Fluide gilt generell:
Die Moleküle eines Fluids bewegen sich ständig mit großer Geschwindigkeit aufgrund der Molekular­ bewegungen. In turbulenter Strömung herrschen durch die ständige Bildung und Auflösung von Wirbeln vielseitige Beschleunigung und Bewegung. Nur ein Bruchteil aller Bewegungen des Fluids bzw. seiner Teile stellt die resultierende Bewegung des Fluids während des Durchsatzes durch ein Rohrsystem dar.

1.2. Zielsetzung

Die Problematik ist also, das vorhandene Geschwindigkeitspotential des Fluids und seiner Teile hinsichtlich der zielgerichteten Bewegung besser zu nutzen. Zielsetzung dieser Erfindung ist die Steigerung des Volumen- bzw. Massedurchsatzes von Fluiden in Rohren bzw. die Reduzierung des für den Durchsatz erforderlichen Energieaufwandes bzw. -verlustes.

Dazu werden zunächst physikalisch Grundlagen in neuer Weise dargestellt und anhand eines neuen Bewegungsmodells der Moleküle eines Fluids eine theoretisch optimale Strömungsform entwickelt. Diese Strömungsform wird hier "Potentialdrallströmung" genannt. Es werden dann diverse Konstruktionselemente dargestellt, welche diese Potentialdrallströmung in Rohren zu erzeugen, zu erhalten oder zu nutzen in der Lage sind. Weiterführende Konsequenzen dieser Erkenntnisse werden in weiteren Patentanmeldungen dargestellt.

2. Physikalische Grundlagen 2.1. Molekularbewegungen im Rohr

In jedem Fluid herrscht Molekularbewegung. Die prinzipiellen Bewegungsmöglichkeiten der Moleküle im Rohr sind schematisch in Bild 1 dargestellt.

2.1.1. "Ruhendes" Molekül

In ruhendem Fluid erfolgen die Bewegungen in alle Raumrichtungen gleichermaßen. Beispielsweise sind acht potentielle Bewegungsrichtungen in der Zeichnungsebene für ein Molekül dargestellt (A in Bild 1; wird im folgenden als "A-1" zitiert, alle anderen Zeichnungselemente werden entsprechend zitiert). Stellvertretend für diese Bewegungsrichtungen könnten die zwei senkrecht weisenden betrachtet werden (B-1). Als "ruhend" werden im weiteren die Moleküle des Fluids im Bereich der rauhen Oberfläche der Rohrwandung (RW) bezeichnet. Ihre potentiellen Bewegungen werden von der Rohrwandung reflektiert und in Summe ist für ein ruhendes Molekül (C-1) nur eine senkrecht zur Rohrwand (in Richtung Rohrmitte) wirkende Bewegungs­ richtung hinsichtlich der Fluidströmung relevant. Die Moleküle (D-1) des Rohres sind in der Gitterstruktur des festen Materials in ihrem Bewegungsspielraum mehr begrenzt als die Moleküle des Fluids. Jeder Druck auf festes Material erzeugt einen Gegendruck, welcher in Summe wiederum senkrecht zur Rohrwandung wirkend angesehen werden kann.

2.1.2. "Fließendes" Molekül

Wenn ein Molekül (E-1) Bestandteil einer Stromlinie (SL, in der Zeichnung von links nach rechts gerichtet) ist, wird den potentiellen Molekularbewegungen jeweils Geschwindigkeit und Richtung des Stroms aufgeprägt. Ein Molekül, das außer seiner normalen Molekularbewegung Bewegung aufweist, wird im folgenden "fließendes" Molekül genannt. Daraus resultierende potentielle Bewegungen zeigt Molekül (F-1). Die Hälfte aller Bewegungsrichtungen befindet sich auf der Zeichnungsebene innerhalb eines nach vorne gerichteten Kreisausschnitts (räumlich gesehen eines Kreiskegels) und wirkt positiv im Sinne der Stromlinie. Alle nach vorn bzw. noch mindestens senkrecht zur Stromlinie weisenden Bewegungen sind zumindest neutral, während die (geringere Anzahl) restlicher Bewegungsrichtungen nach hinten weisen und" negativ hinsichtlich der Stromrichtung wirken. Stellvertretend für alle potentiellen Bewegungen können die zwei Bewegungs­ richtungen des Moleküls (G-1) betrachtet werden.

Aus dieser Betrachtungsweise und Überlegung ergibt sich folgende Feststellung: je höher die Geschwindigkeit in der generellen Richtung der Stromlinie in Relation zur Molekulargeschwindigkeit ist, desto enger nach vorn gerichtet ist obiger Kreiskegel der Hälfte aller potentiellen Molekularbewegungen bzw. desto größer ist der Anteil potentieller Molekularbewegungen, welche positiv im Sinne der Stromlinie wirken bzw. desto geringer ist der Anteil potentieller Molekularbewegungen, welche negativ im Sinne der Stromlinie wirken.

Zwei Moleküle (H-1 und I-1) zweier parallel laufender Stromlinien (SL) können aufgrund von Kollisionen mit jeweils benachbarten Molekülen Bewegungen in sämtliche Raumrichtungen ausführen. In Summe jedoch werden sie sich in Richtungen analog (G-1) bewegen und begegnen. Energie und Richtung werden dabei ausgetauscht, so daß beide Moleküle wieder auf ihre Stromlinie zurück kommen, bei fortgesetzten analogen Kollisionen ebenso. Zwischen jeder Kollision legen beide Moleküle einen der Stromgeschwindigkeit ent­ sprechenden Weg in Stromrichtung zurück.

Aus dieser Betrachtungsweise und Überlegung ergibt sich folgende Feststellung: je höher die Geschwindigkeit in der generellen Richtung der Stromlinie in Relation zur Molekulargeschwindigkeit ist, auf desto engerem Raum können sich die Moleküle vorwärts bewegen in dieser generellen Richtung bzw. desto seltener werden Kollisionen im negativen Sinne in Bezug auf diese generelle Richtung sein. Diese höhere "Dichte" einer hohen Geschwindigkeit in der generellen Richtung der Stromlinie korrespondiert nicht mit einer höheren Wärme oder höherem statischen Druck, wohl aber mit einer höheren Druckenergie in der generellen Richtung der Strom­ linie, also mit Strömungsdruck.

2.1.3. Reibung an der Rohrwandung

Bei laminarer Strömung ist trotz Molekularbewegung keine Reibung gegeben, wohl aber zwischen Fluid und Rohrwandung. Ein Molekül (J-1) bewegt sich generell in einer Stromlinie (SL) parallel zur Rohrwandung. Aufgrund einer ersten Kollision bewegt es sich analog zu Molekül (G-1). Ein Molekül (K-1) im Bereich der rauhen Oberfläche der Rohrwandung bewegt sich in Summe senkrecht zur Rohrwandung analog Molekül (C-1). Wenn beide kollidieren, tauschen sie Richtung und Energie aus. Dabei ist zu beachten, daß nach diesen zwei Kollisionen Molekül (J-1) nur eine Wegstrecke in Richtung Stromlinie zurück gelegt hat (während obige, frei fließende Moleküle (H-1 und I-1) nach zwei Kollision zwei solche Wegstrecke zurück gelegt haben). Die Kollision eines fließenden Moleküls mit einem ruhenden Molekül hat also zunächst eine Reduzierung der Geschwindigkeit des fließenden Moleküls in Stromrichtung zur Folge.

Die Konsequenzen dieser Kollision für das ruhende Molekül (K-1) ist nochmals dargestellt: Molekül (L-1, entsprechend vorigem K-1) führte eine Bewegung senkrecht zur Rohrwandung Richtung Rohrmitte aus, kollidierte und führte eine Bewegung aus zurück in Richtung Rohrwandung, jedoch etwas abgelenkt in Stromrichtung. Der Aufprall auf der rauhen Oberfläche der Rohrwandung (RW) wird vielfältige Molekular­ bewegungen auslösen und diverse Drücke längs und quer im Rohr verursachen.

Die Energie des Aufpralls umfaßt die der normalen Molekularbewegung des Moleküls (L-1) wie auch seine Bewegungskomponente in Stromrichtung. Durch den Aufprall wird diese Energie dem Rohr zugeführt, dessen Moleküle beschleunigt, damit Wärme erzeugt. Energie geht dem System nur insoweit verloren, als Wärmeab­ gabe (WA) an der Außenwand des Rohres erfolgen kann, d. h. wenn die Umgebung kälter ist. Die gesamte rest­ liche Energie wird reflektiert, indem das Molekül (L-1) letztlich eine Bewegung zurück Richtung Rohrmitte ausführt.

Der Aufprall auf die Rohrwandung würde nur in gleichem Winkel reflektiert bei absolut planer Oberfläche. In molekularen Größenordnungen ist jede Rohrwandung ein Rauhigkeitsgebirge. Alle Erfahrungen belegen, daß Fluide an der Rohrwandung "haften" und dort die Stromgeschwindigkeit null ist. Es ist also berechtigt, wenn im weiteren die Reflexion eines Aufpralls auf der Rohrwandung in Summe als senkrecht zur Rohr­ wandung betrachtet wird.

Theoretisch resultiert aus Reibung letztlich immer Wärme, deren Energie dem System verloren geht. Dieses kann hier jedoch nur erfolgen, wenn die Umgebung kälter ist als Rohr und Fluid. Wenn das Fluid nicht wärmer ist als die Umgebung und sich das Rohr aufgrund der Reibung erwärmt, muß Wärme zurück ins Fluid fließen. Auch dieser Energiefluß wird nicht in Stromrichtung erfolgen, sondern in Summe senkrecht zur Rohrwandung.

Bei Kollision eines fließenden Moleküls (J-1) mit einem ruhenden Molekül (K-1) verliert das fließende Molekül also an Geschwindigkeit in Stromrichtung. Entsprechend gewinnt das "ruhende" Molekül Bewegungsenergie, allerdings senkrecht zur Stromrichtung. Nur ein Bruchteil der Reibung zwischen Fluid und Wandung wird durch die Außenwand des Rohres (sofern möglich) als Wärme abgegeben.

Unter diesem Gesichtspunkt ist oben beschriebene Kollision der Moleküle (J-1 und K-1) anders zu sehen und darum nochmals dargestellt: ein fließendes Molekül (M-1, analog zu J-1) trifft auf ein ruhendes Molekül (N-1, analog zu K-1). Die senkrechte Bewegung des Moleküls (N-1) hat jedoch die Energie des vorigen Moleküls (L-1), d. h. die der normalen Molekularbewegung plus der Bewegungskomponente in Stromrichtung aus einer vorigen Kollision (minus der eventuell abgeführten Wärme aus der vorigen Kollision).

Bei der aktuellen Kollision tauschen die Moleküle (M-1 und N-1) Bewegungsrichtung und -energie. Das Molekül (N-1) führt dabei eine Bewegung analog Molekül (L-1) aus, kommt in der Zeiteinheit nur nicht mehr so nahe zur Rohrwandung zurück. Molekül (M-1) bewegt sich senkrecht zur Stromlinie und kommt in der gleichen Zeiteinheit weiter Richtung Rohrmitte voran. Wie Molekül (J-1) verliert Molekül (M-1) an Bewegung parallel zur Rohrwandung, gewinnt aber an Bewegung in Richtung Rohrmitte. Dieses bedeutet, daß seine bisherige Stromlinie (SL) nicht mehr parallel verläuft zur Rohrwandung, sondern in Richtung Rohrmitte abgelenkt wird.

2.1.4. Bewegung Richtung Rohrmitte

Bild 2 zeigt die weiteren Konsequenzen dieser Reibung. Bei einem fließenden Molekül (A-2, analog Molekül M-1) ist der normalen Molekularbewegung nun die reduzierte Bewegung in Stromrichtung aufgeprägt, aber auch eine Bewegung Richtung Rohrmitte (im Bild nach oben weisend). Molekül (B-2) zeigt die daraus resultierenden potentiellen Bewegungen. Stellvertretend für alle Bewegungen in Zeichnungsebene können wiederum die beiden potentiellen Bewegungen des Moleküls (C-2) gelten. Wenn sich solche Moleküle (D-2 und E-2) begegnen, wandern sie auf parallelen, in Richtung Rohrmitte weisenden Stromlinien.

Wenn andrerseits ein bislang frei fließendes Molekül (F-2, analog Molekül G-1) und ein solches Molekül (G-2, analog Molekül C-2) begegnen, wird die Stromlinie des bislang frei fließenden Moleküls (F-2) in Richtung Rohrmitte, die des Moleküls (G-2) entsprechend wieder Richtung Rohrwandung abgelenkt. Ein schneller fließendes Molekül (F-2) verliert also bei Kollision mit einem in Stromrichtung langsamer fließenden Molekül (G-2) an Geschwindigkeit in Stromrichtung und gewinnt dafür an Bewegungsenergie in Richtung Rohrmitte. Weitere analoge Kollisionen behalten diese Bewegungscharakteristik bei.

Daraus entsteht ein neuer Bewegungstyp, dargestellt anhand eines Moleküls (H-2): der Bewegung in Richtung Rohrwandung (im Bild nach unten weisend) ist noch immer die volle Bewegung parallel zur Rohrwandung aufgeprägt (analog E-1). Der Bewegung in Richtung Rohrmitte (im Bild nach oben weisend) ist die durch Reibung an der Rohrwandung verminderte Bewegung parallel zur Rohrwandung aufgeprägt. Beiden Bewegungen sind nun die Querströmung in Richtung Rohrmitte aufgeprägt (also im Bild nach oben weisend). (I-2) zeigt beide resultierende, repräsentative, asymmetrische Bewegungsmöglichkeiten. Die Stromlinie (SL) dieser Bewegungsform ist nicht mehr parallel zur Rohrwandung, sondern weist nach vorn wie auch zur Rohrmitte.

Aus dieser Betrachtungsweise und Überlegung ergibt sich folgende Feststellung: dieser "Druck" in Richtung Rohrmitte entsteht stets, wenn zwei benachbarte Stromlinien unterschiedliche Geschwindigkeit aufweisen und dabei die Stromlinie näher zur Rohrmitte die schnellere Geschwindigkeit aufweist. Analog dazu ist ein Druck gegeben in Richtung Mitte eines Potentialwirbels, bei welchem ebenfalls die innen liegenden Stromlinien jeweils höhere Geschwindigkeit aufweisen gegenüber benachbarten äußeren.

2.1.5. Blockierung der Längsströmung

Von der gegenüberliegenden Rohrwandung gehen analoge Bewegungen aus. Letztlich werden sich zwei Moleküle (J-2 und K-2) auf ihren nach vorwärts und nach innen gerichteten Stromlinien in Rohrmitte begegnen. Die Stromlinie beider Moleküle weisen nach dieser Kollision wieder parallel zur Rohrwandung. Die mittige laminare Strömung im Rohr ist damit jedoch zu Ende. Alle Bewegungen weisen nun steiler in Richtung Rohrwandung, weil beidseitig nun die Bewegungsenergie längs der Rohrwandung reduziert ist und beidseitig nun die Bewegungen senkrecht zur Rohrwandung aufgeprägt sind. Molekül (L-2) zeigt diese Bewegungskomponenten, Molekül (M-2) die daraus resultierenden Bewegungsmöglichkeiten.

Mit diesem, nun sehr viel steileren Winkel (gegenüber den ursprünglichen des Moleküls G-1) erfolgt ein Rückstrom zurück zur Rohrwandung, dort fließen weitere, senkrecht zur Rohrmitte weisenden Bewegungen ein. Je größer der Durchmesser, desto länger dauern diese Querströme von Rohrwandung zur Rohrmitte und zurück (darum ist die Fluidreibung umgekehrt proportional zum Durchmesser), je länger das Rohr ist, desto häufiger erfolgen diese Querströme (darum ist die Fluidreibung proportional zur Rohrlänge). Besonders in relativ dünnen und langen Rohren wird die Längsströmung damit praktisch blockiert und kann auch durch höheren Druck nicht aufrechterhalten werden.

2.1.6. Wirbelbildung

Theoretisch pulsieren also diese Querströmungen mit immer steilerem Winkel zur Rohrwandung. Doch bereits die erste Querströmung in Richtung Rohrmitte hinterläßt ein relatives "Vakuum" an der Rohrwandung. Die zweite Querströmung in Richtung Rohrwandung wird z. T. dort hin "gesaugt". Es entsteht eine Einrollung, schematisch dargestellt durch die Moleküle (N-2, O-2, P-2 und Q-2). Aus diesen Bewegungen können geschlossene Wirbel entstehen bzw. sich aus einzelnen Molekülen ein festerer Verbund entwickeln bzw. sich Teilchen bilden. Solche geschlossene Wirbel bzw. Teilchen können sich rollierend längs der Rohrwandung fortbewegen. Diese Bewegung ist vorteilhaft, weil damit anstelle der Haftreibung nur noch Rollreibung gegenüber der Rohrwandung gegeben ist. Diese prinzipielle Bewegungsform ergibt dann im Rohrquerschnitt ein parabelförmiges Geschwindigkeitsprofil, das sich z. T. bei der Strömung in Rohren ausbilden kann.

2.1.7. Turbulente Bewegung

Solche Wirbel bzw. Teilchen rotieren um eine Achse (R-2) parallel zur Rohrwandung, welche gekrümmt ist und einen Kreisbogen bildet. Ein Segmente dieser Bewegungsform weist im Rohrquerschnitt die Form eines Kreisausschnitts auf mit asymmetrischen Flächen (S-2 und T-2) beidseits der Achse (R-2). Es wird dadurch zur Staubildung bzw. zusätzlichen Bewegungen kommen, d. h. die Rotation von Wirbeln bzw. Teilchen in dieser Form ist nicht stabil und es wird sich in der Regel wieder turbulente Strömung ausbilden.

Der Durchsatz von Fluid in einem Rohrsystem zielt darauf ab, den vorhandenen oder erzeugten Druck in kinetische Energie umzuwandeln und damit eine zielgerichtete Bewegung (U-2) zu erreichen, wie sie am Einfluß in ein Rohr weitgehend vorhanden ist. Am Ausfluß (V-2) weisen nach den turbulenten Strömungen die Bewegungen keinesfalls mehr in die gewünschte Richtung. Teilströme in Querrichtung sind nur neutral, aber rückwärts gerichtete Teilströme sind negativ hinsichtlich der gewünschten Richtung. Insgesamt steht darum am Rohrende nur noch ein Bruchteil der potentiellen Energie in zielgerichteter Bewegung zur Verfügung. Die Abgabe von Wärme aufgrund von Reibung allein kann nicht ursächlich dafür sein (wenn das Rohr isoliert würde, stünde diese Wärmeenergie bzw. deren Druck weiterhin zur Verfügung, das Ergebnis wäre aber gleich bzw. noch schlechter). Am Rohrende steht nahezu die gleiche Menge kinetischer Energie wie am Rohranfang zur Verfügung. Nur die Richtung stimmt nicht mehr überein mit der gewünschten, generellen Richtung der Fluidströmung.

2.1.8. Bewegungsmodell

Dieses Modell potentieller Molekularbewegungen ist einfach aber wohl zutreffend, weil damit typische Erscheinungen des Fluidstromes in Rohren erklärbar sind: die zunehmende Dicke der Grenzflächen am Roheinlauf, die schmaler werdende mittige laminare Strömung, der Übergang laminarer in turbulente Strömung beim Zusammentreffen der Grenzflächen, der Abriß der Grenzflächen mit Wirbelbildung, der Verlauf des statischen Drucks, die Reduzierung des Durchsatzes proportional zur Rohrlänge und umgekehrt proportional zum Rohrdurchmesser, der in Relation zur Zähigkeit des Fluids viel zu geringe Durchsatz.

Das Fluid als solches verfügt über ein weit höheres Geschwindigkeitspotential als technisch auf diesem Wege nutzbar ist. Wenn ein maximaler Durchsatz erreicht werden soll, müssen dieses Geschwindigkeitspotential besser genutzt und unproduktive Bewegungsrichtungen vermieden werden. Dazu ist erforderlich, ein Modell zielgerichteter und stabiler Bewegungsabläufe zu konzipieren.

2.2. Zielgerichtete Bewegungen im Rohr 2.2.1. Sog anstatt Druck

Wenn der Molekularbewegung eine Strömung aufgeprägt wird, weisen die potentiellen Bewegungsrichtungen vorwiegend in diese Richtung (z. B. wie bei Molekül F-1). In welche Richtung dieses Molekül am weitesten sich bewegen wird, hängt jedoch ausschließlich von der momentanen Dichte in seiner Umgebung ab. Wenn seitlich zur Stromlinie relativ wenige Moleküle sich befinden (ein relativer Unterdruck herrscht), werden die Moleküle dieser Stromlinie sich mehrheitlich dorthin bewegen, also seitlich zur generellen Richtung der Strömung. Die Moleküle eines Fluids können nicht fortgesetzt durch Druck in die lineare Richtung einer gewünschten Strom­ linie gepreßt werden ohne einen entsprechenden Gegendruck zu erzeugen und damit abgebremst zu werden. In einen "Sog" jedoch bewegen sich Moleküle praktisch mit Molekulargeschwindigkeit alleine aufgrund der zufälligen und in alle Richtungen weisenden Molekularbewegungen.

Es kommt also darauf an, einen Sog zu organisieren. Es ist wiederum nicht möglich, fortgesetzt einen Sog in linearer Richtung zu erzeugen, wohl aber in kreisender Richtung. In der Natur ist diese Erscheinung vielfältig zu beobachten, z. B. bei Windhosen, die beachtliche "Selbstorganisationseffekte" erzeugen, ausgehend von einem relativ kleinen, zufällige entstandenen Unterdruck.

Alle eindrehenden Wirbel werden nicht in eine Richtung gedrückt, sondern fließen in ein relatives Vakuum ("relativ" wird im folgenden stets als in Bezug zur Umgebung bezeichnet). Ein Wirbel läuft sich tot, wenn das relative Vakuum aufgefüllt ist. Dieses relative Vakuum kann lange Zeit selbsterhaltend sein, indem jeweils nachfolgende Moleküle des gleichen Wirbels durch ihre vorwiegende Kreisbewegung fortgesetzt ein neues, lokales, relatives Vakuum schaffen. Die Idealform hierzu stellt ein Ringwirbel dar mit seinen beachtlichen, noch nicht abschließend erklärbaren Eigenschaften.

2.2.2. Rollende Bewegung

Oben wurde die rollierende Bewegung entlang der Rohrwandung als positive Bewegungsform angeführt. Diese wird in Bild 3 detaillierter dargestellt. Wenn ein Rad auf einer geraden Oberfläche abrollt, so bewegen sich alle Teilchen des Rades mit konstanter Geschwindigkeit stets auf einer Kreisbahn. Die Bewegung eines Teilchens (A-3) des Rades relativ zur geraden Oberfläche dagegen ist gekennzeichnet durch fortwährende Beschleunigung, positive wie negative, längs wie senkrecht zur Oberfläche. Wenn anstelle eines starren Rades Moleküle eines Fluids diese Bewegungen ausführen, ergeben sich darüber hinaus positive Effekte.

Zum einen treffen die in Richtung Rohrwandung sich bewegenden Moleküle relativ senkrecht dort auf und verlieren damit durch oben beschriebene, senkrechte Reflexion auch keine in Längsrichtung weisende Bewegungsenergie. Ein erster Aufprall auf die Rohrwandung bzw. auf ruhende Moleküle muß nicht unmittelbar zur Abstoßung senkrecht zur Rohrwandung führen, kann vielmehr zu diversen Kollisionen auf der Rohr­ wandung bzw. der ruhenden Moleküle untereinander führen. In diesem Bereich fließen weitere Moleküle nach, eine relativ große Dichte von Molekülen entsteht, relativ kurzfristig kommt es zu Kollisionen, ohne daß dabei die Moleküle in einer bestimmten Richtung weit voran kommen. Erst wenn der Druck gegenüber nach­ fließenden Molekülen groß genug ist, wird der Rückstoß senkrecht zur Rohrwandung erfolgen. Nachdem die ersten Moleküle aus der rauhen Oberfläche der Rohrwandung sich entfernt haben, stoßen in diesen relativen Unterdruck andere nach, wird eine Menge aufgestauter Moleküle in relativ dichter Folge senkrecht zur Rohr­ mitte hin bewegt. Diese Moleküle bewegen sich vorwiegend in gleiche Richtung, so daß der vorige relative Überdruck nahe der Rohrwandung sogar zu einem relativen Unterdruck führen wird. In diesen können die in Richtung Rohrwandung sich bewegenden Moleküle des nächsten Wirbels einfließen. Es entsteht damit keine kreisrunde Rotation, sondern eine in sich fließende Bewegungsform (etwa wie Regentropfen an Glas abrollen).

Die Molekularbewegungen erfolgen also keinesfalls stets gleichförmig in alle Richtungen. Typisches Beweg­ ungsmuster der Fluide sind vielmehr stoßartige und relativ gleichgerichtete Bewegungen diverser benachbarter Moleküle. Dieses erklärt sich auch mit oben getroffenen Feststellungen: wenn sich Moleküle mehrheitlich in gleiche Richtung bewegen, ist momentan eine gemeinsame Bewegungsrichtung der normalen Molekularbeweg­ ung aufgeprägt. Diese Moleküle können relativ dicht beisammen in diese Richtung fließen und es finden dabei relativ selten Kollisionen mit negativer Wirkung hinsichtlich dieser allgemeinen Bewegungsrichtung statt.

Zusätzlich entsteht damit eine gemeinsame Außenwirkung: diese Molekülgruppierung stößt relativ gleich­ gerichtet auf andere Moleküle und erfährt darum relativ gleichgerichteten Rückstoß, womit sich relativ geordnete Bewegungen aufbauen können. Die Außenfläche einer solcher Molekülgruppierung erscheint dann als "Membrane" mit fast gleicher Außenwirkung wie feste Molekülverbände bzw. feste Teilchen. Bei Wasser z. B. ist bekannt, daß die Moleküle zu Hunderten Gruppierung bilden. Entlang der Rohrwandungen werden diese Molekülverbände bzw. Teilchen aufgrund obigen rollierenden Bewegungsablaufes eine Tendenz zur Kugel- oder Walzenform aufweisen.

Bei einem starren Rad wird die negative Beschleunigung bei der Bewegung eines Teilchens hin zur Oberfläche durch den starren Verbund auf alle Teilchen übertragen. Die relativ höhere Bewegungsfreiheit der Teilchen eines Fluids macht dagegen möglich, daß diese negative Beschleunigung zu einer größeren Dichte der Moleküle im Bereich der Rohrwandung führt. Entsprechend herrscht in Bereichen weiter zur Rohrmitte hin eine geringere Dichte. Dieses bedeutet, daß dort relativ wenige Kollisionen statt finden und die Moleküle darum mit Molekulargeschwindigkeit relativ weite Wege zurücklegen können.

2.2.3. Rollschicht

Eine Reduzierung der Reibung zwischen Fluid und Rohrwandung wird also dann zustande kommen, wenn eine rollierende Strömung im Bereich der Rohrwandung erreicht wird. Diese rollierende Bewegung erzeugt selbsttätig den Sog für möglichst kollisionsfreie Bewegungen und stabilisiert sich selbsttätig, weil die Beweg­ ungen jeweils in eine bevorzugte Richtung weisen. Der Bereich dieser Bewegungsform wird im weiteren als "Rollschicht" bezeichnet.

Die Rollschicht kann relativ dünn sein. Keinesfalls sollte sie bis zur Rohrmitte reichen, weil sonst oben beschriebene, asymmetrische Teilflächen entstehen (siehe S-2 und T-2). Auch sollte die Bewegungsrichtung der Rollschicht keinesfalls linear in Richtung Längsachse des Rohres sein. Die stets vorhandene Strömung senkrecht zur Rohrwandung würde dann wiederum ein Abreißen der Rollschicht bewirken. Positiv genutzt wird diese Querströmung, dieser "Druck" von außen nach innen, wenn die generell gewünschte Bewegungsrichtung der Rollschicht eine Kreisbahn ist. Ein Molekül (B-3) auf einer kreisförmigen Stromlinie möchte sich aufgrund der Trägheit tangential bewegen oder wird durch normale Molekularbewegung in Richtung Rohrwandung gestoßen. Weil es nun prinzipiell senkrecht zur Rohrwandung reflektiert wird, kommt es zurück auf seine kreisförmige Stromlinie. Die oben beschriebene, negative Konsequenz (siehe Moleküle M-1 und N-1) betreffend einer linearen Stromlinie hat also einen positiven Effekt, wenn die gewünschte Stromlinie eine Kreisbahn ist.

2.2.4. Drallbahn

Eine Rotation ausschließlich senkrecht zur Längsachse des Rohres wäre unproduktiv hinsichtlich einer Vorwärtsbewegung im Rohr. Sinnvoll dagegen ist eine Stromlinie, welche längs und senkrecht zur Längsachse des Rohres verläuft. Diese Bewegungsrichtung wird im folgenden als "Drall" bezeichnet.

Eine Drallbahn weist bei einer vollen Umdrehung eine längeren Weg auf als der Umfang des entsprechenden Rohres. Die Rotationsachse der rollierenden Bewegung ist dementsprechend weniger stark gekrümmt (im Ver­ gleich zu R-2) und die Flächen innerhalb bzw. außerhalb davon (S-2 und T-2) sind nahezu gleich groß, besonders bei geringer Dicke der Rollschicht bzw. großem Rohrdurchmesser. Parallele Stromlinien eines Dralls bilden eine Drallbahn (C-3), auf welcher sich walzenförmige Rotationskörper (D-3) ausbilden können, also relativ stabile Gebilde.

Die Mantelabwicklung dieser Drallbahn ist eine gerade Fläche (E-3), auf der diese Walze (F-3) abrollen wird mit ihrer Achse quer zu dieser Bahn. Aus Sicht der Walze nach vorn ist diese Fläche (G-3) allerdings am (im Bild rechten) Rand angehoben. Dieses bedeutet, daß diese Walze (F-3) stets einen seitlichen Impuls (im Bild nach links) erfährt. Die Walze wird darum auch in Richtung auf die nächste Drallbahn gleiten, bzw. alle Drallbahnen sind nicht stationär, sondern wandern insgesamt nach vorn. Wenn die Walzen einer Rollschicht von hinten gesehen eine Drehung im Uhrzeigersinn (Rechtsdrehung) aufweisen, so werden die Drallbahnen entgegengesetzt gewendelt sein, d. h. von hinten gesehen gegen den Uhrzeigersinn gedrillt erscheinen. Im Querschnitt des Rohres stellt sich das so dar, daß entlang der Rohrwandung (RW) eine Walze (H-3) um ihre eigene Längsachse (in Bild 3) rechtsdrehend rotiert und dabei eine linksdrehende Kreisbahn beschreibt. Eine solche Walze kann als endlos breit gedacht werden, d. h. ohne störende Impulse auf ihre Seitenflächen.

2.2.5. Hauptstrom

Innerhalb dieser Rollschicht ist Raum für den Hauptstrom (I-3). Dieser sollte nun ebenfalls zur Bewegung in Längsrichtung des Rohres eine rotierende Bewegung aufweisen. Wenn beide Bewegungen zusammen parallel zu obiger Drallbahn (C-3) verlaufen, wirkt die Rollschicht wie ein Wälzlager zwischen Hauptstrom und Rohrwandung. Ein Optimum ist erreicht, wenn die Rotationsgeschwindigkeiten korrespondierend zu den jeweiligen Durchmessern sind.

Der Hauptstrom darf kein Starrer Wirbel mit Drall sein, sonst bewegen sich Moleküle auf einer innen befindlichen Stromlinie langsamer als die auf außen benachbarten Stromlinie. Damit würde ein Druck bzw. Querstrom von innen nach außen entstehen und die Rollschicht könnte nicht stabil bleiben. Im Hauptstrom sollte darum die Geschwindigkeit auf innen liegenden Stromlinien höher sein als auf benachbarten äußeren Stromlinien. Der Hauptstrom muß also ein Potentialwirbel mit Drall sein.

Wenn man unterstellt, daß Geschwindigkeit und Richtung der Bewegungen an der Grenzfläche zwischen Rollschicht und Hauptstrom gleich sind, so wird das äußerste Molekül des Hauptstroms (analog H-1) mit gleichem Winkel reflektiert durch das innerste Molekül der Rollschicht (analog I-1). Es ist damit keine Reibung mehr gegeben, damit aber auch keine Querströmung in Richtung Rohrmitte. Die gewünschte Beugung der Stromlinien in Richtung Rohrmitte muß darum durch den Potentialwirbel erzeugt werden.

Beim Potentialwirbel bewegen sich Moleküle auf einer inneren Stromlinie schneller als auf einer parallelen, außen benachbarten Stromlinie. Wenn beide kollidieren, werden die Stromlinien nach innen abgelenkt, damit die gewünschte Querströmung erreicht. Wenn die Ablenkung der Stromlinie nach innen stärker ist als die dem Radius entsprechende Krümmung der Stromlinien, dann ist ein Sog in Richtung Rohrmitte gegeben (J-3). Wenn Ablenkung und erforderliche Krümmung übereinstimmen, ist dieses eine der Zielsetzung entsprechende Situation.

Wenn bei sehr kleinem Radius der Stromlinie eines Moleküls (K-3) die Ablenkung nicht mehr der erforder­ lichen Krümmung entsprechen kann, wird sich dieses Molekül nicht auf diesem engen Radius halten können. Es ist damit die innere Grenzfläche des Potentialwirbels gegeben. Potentialwirbel weisen stets einen "Druck" auf in Richtung Wirbelmitte, welche eine selbsttätige Beschleunigung der inneren Stromlinien gegenüber den äußeren bewirkt. Diese Beschleunigung kann jedoch nicht endlos sein, sie endet vielmehr an einer inneren Grenzschicht. Diese ist in allen Potentialwirbeln erkennbar, z. B. auch in Tornados.

2.2.6. Kernwirbel

Innerhalb dieser Grenzfläche ist Raum für eine Kernströmung mit relativ geringem Radius. Diese Kern­ strömung wird sich in Längsrichtung bewegen und ebenfalls Drall aufweisen. Sie wird ein jedoch ein Starrer Wirbel sein, dessen Zentrifugaldruck voriger Querströmung entgegen wirkt und damit die innere Grenzfläche des Hauptstromes stabilisiert.

Ein Potentialwirbel bilden also selbsttätig einen Kernwirbel aus und beide stabilisieren sich gegenseitig an der inneren Grenzfläche des Potentialwirbels. An seiner äußeren Grenzfläche vermeidet ein Potentialwirbel Reibung durch Sog bzw. nach innen gerichtete Querströmung. Diese Querströmungen verlaufen nicht radial zur Rohrmitte hin und erzeugt damit nicht oben beschriebene turbulente Strömung. Diese Querströmungen mit Drall laufen vielmehr an der Grenzfläche zwischen Hauptstrom und Kernstrom in tangentialer Richtung sowie in Richtung Rohrlängsachse zusammen und ergeben damit einen schraubenförmige Bewegungsablauf.

2.2.7. Potentialdrallstrom

Um einen bestmöglichen Durchsatz durch zielgerichtete Bewegungen zu erreichen, sollte der Querschnitt des Rohres darum diese drei Strömungsschichten aufweisen:

• - die Rollschicht (L-3), um zwischen Fluid und Rohrwandung nur Rollreibung entstehen zu lassen,
• - den Hauptstrom (M-3), um die Vorzüge eines Potentialwirbels mit Drall zu nutzen sowie
• - den Kernstrom (N-3), welcher sich selbständig ausbildet und den Hauptstrom stabilisiert.

Diese Strömungen insgesamt werden im weiteren "Potentialdrallstrom" genannt. Obiges Modell zweckmäßiger Bewegungen im Rohr ist nur ein grobe Beschreibung der wirklichen Bewegungen. Innerhalb eines Potential­ drallstroms werden sich z. B. weitere Wirbelstränge bilden. Die Rollschicht kann unterschiedlich stark dimensioniert sein oder wird nicht immer stabil sein (z. B. nach Rohrarmaturen). Man wird zeitweilig auf ihre Ausbildung verzichten oder sie wieder aufbauen müssen. Je nach Oberfläche der Wandung und des Durchsatzes insgesamt wird sie sich unterschiedlich ausbilden.

Dieses Bewegungsmodell des Potentialdrallstroms als Zielvorstellung wird jedoch einem optimalen Durchsatz weit besser gerecht als die ansonsten zwangsläufig auftretende turbulente Strömung. Die Wege des Fluids auf Drallbahnen ist länger als der gerade Weg durch ein Rohr, aber dem geraden Weg widersetzt sich jedes Fluid.

2.2.8. Essentielle Ansatzpunkte

Wenn auf einen festen Körper eine Kraft wirkt, ergibt sich Beschleunigung, Geschwindigkeit und kinetische Energie, alles in eine bestimmte Richtung, den Körper insgesamt betreffend wie alle seine Teile. Beim Fluid ist dieses entsprechend, nur bleibt die Richtung nicht konstant und bewegen sich die Teile des Fluids mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und in unterschiedliche Richtungen.

Es macht keinen Sinn, einem Fluidstrom eine ausschließlich gerade Bewegungsmöglichkeit zur Verfügung zu stellen oder einem Fluid gar eine lineare Bewegungsrichtung aufdrücken zu wollen.

Nur auf gekrümmten Bahnen wie die der natürliche Wirbeln sind Geschwindigkeit und Richtung der Fluidteile relativ konstant und stabil.

Mit obigem Bewegungsmodell einer Potentialdrallströmung befindet sich eine größtmögliche Anzahl Moleküle in relativ kollisionsfreier Bewegung, fällt damit geringstmögliche Reibung an und ist ein optimaler Durchsatz erreichbar.

Entgegen bekannter Aussagen der Strömungslehre werden hier diese Feststellungen getroffen:
Es wird im Potentialwirbel weder Wärme abgeführt noch zugeführt. Aber das Fluid kann dabei eine größere Dichte aufweisen, weil benachbarte Moleküle sich mehrheitlich in gleiche Richtung bewegen.

Je höher die Geschwindigkeit ist, desto seltener und schwächer fallen negative (hinsichtlich der gewünschten Stromlinie) Bewegungen an. Obwohl die Moleküle also relativ massiert sind, kommt es relativ selten zu Kollisionen aufgrund der prinzipiell parallelen Bewegungsrichtung.

Die kinetische Energie im Potentialwirbel mit Drall ist nicht größer als bei turbulenter Strömung, nur die Richtung der Bewegung hat einen besseren Organisationsgrad.

In der Strömungslehre wird im allgemeinen Geschwindigkeit nur als Durchschnittswert betrachtet und unterstellt, daß die generelle Richtung der Bewegung durch das Rohr vorgegeben ist. Im Rahmen dieser Erfindung jedoch steht die Richtung der Bewegungen im Vordergrund.

Es gilt nun entsprechend dieses Bewegungsmodells der Potentialdrallströmung technische Vorrichtungen zu konzipieren, welche die im Rohreinlauf (O-3) zur Verfügung stehende Energie bestmöglich in zielgerichtete Bewegung umsetzen und am Rohrende (P-3) mit möglichst wenig Verlust Energie in der gewünschten Form abgeben können.

3. Konstruktionselemente 3.1. Behälterauslauf bzw. Rohreinlauf Funktion

Dieses Konstruktionselement dient der Erzeugung eines Fluidstroms aus einem Behälter in ein Auslaufrohr, wobei eine Potentialdrallströmung im Auslaufrohr ausgebildet wird.

Konstruktionsprinzip

Die potentielle Energie des Fluids im Behälter muß möglichst fließend in kinetische Energie umgewandelt werden. Anstelle eines lediglich gerundeten Rohreinlaufes sollte darum das Auslaufrohr in den Behälter ragen und muß dieses sich in den Behälter hinein hyperbelförmig erweitern, so daß ein Trichter relativ großen Volumens im Behälter gebildet wird.

Anstelle eines Fluidstroms lediglich in Richtung Rohrlängsachse muß zunächst der Aufbau einer rotierenden Bewegung im Vordergrund stehen. Dieser Trichter muß darum behälterseitig einen Deckel aufweisen und zwischen Deckel und Trichter muß das Fluid tangential zur Rohrachse eingeleitet werden. Mittels beweglicher Leitbleche zwischen Deckel und Trichter kann der Volumenstrom reguliert werden.

Mittig im Trichter muß der Hauptstrom erzeugt werden. Auf der Rohrachse ist dazu ein Hauptstromrohr anzubringen, das vom Deckel bis in das Auslaufrohr reicht, also einen kleineren Durchmessers als das Auslaufrohr aufweist. Am behälterseitigen Bereich des Hauptstromrohres weist sein Mantel Öffnungen auf, in welches das Fluid wiederum tangential einfließen kann. Dadurch bildet sich im Hauptstromrohr eine Drall­ bewegung aus. Aber auch im gesamten Einlaufbereich wird aufgrund dieses mittigen Soges ein Potentialwirbel aufgebaut, welcher durch die Trichterform des Einlaufbereiches auch eine Bewegung in Richtung der Rohr­ längsachse erfährt.

Außerdem ist die Rollschicht zwischen Hauptstrom und Rohrwandung aufzubauen. Das Hauptstromrohr hat zum Auslaufrohr hin seitlich keine Öffnungen mehr und endet dort. Die Trichterwandung verjüngt sich hier auf den Durchmesser des Auslaufrohres. Zwischen Hauptstromrohr und Trichterwandung lenken Leitbleche die Strömung in die gewünschte Drallbewegung der Rollschicht (der Begriff "Leitblech" wird hier stets nur zur Beschreibung der Funktion und Form verwendet, nicht aber zur Beschreibung des Materials).

Danach ist die rollierende Bewegung der Rollschicht aufzubauen. Am Ende des Hauptstromrohr in Richtung Auslaufrohr verlaufen vorige Leitbleche spiralförmig noch ein Stück weiter in das Auslaufrohr hinein, wobei sich die Höhe der Leitbleche reduziert. Über die Drallbahnen zwischen den Leitblechen streicht der Hauptstrom hinweg und bildet damit eine rotierende Bewegung innerhalb der Drallbahnen aus. Dadurch ergeben sich die gewünschten walzenförmigen Drehbewegungen der Rollschicht auf den Drallbahnen.

Konstruktive Ausführung

Bild 4 zeigt den schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel dieses Konstruktionselementes. Die Rohrwandungen (RW) des Auslaufrohres ragen durch die Behälterwandung (BW) in den Behälter und erweitern sich hyperbelförmig zu den Wandungen des Trichters (E-4). Ein Deckel (C-4) schließt den Trichter behälterseitig ab. Zwischen Deckel und Trichter lenken Leitbleche (F-4) den Fluidstrom (A-4) tangential zur Rohrachse (RA) in den trichterförmigen Einlaufbereich (D-4). Diese Leitbleche können auch beweglich sein.

Zwischen Deckel und Rohr ist auf der Rohrachse ein Hauptstromrohr (N-4) installiert. In seinem behälter­ seitigen Bereich (hier in etwa im Bereich von G-4, H-4 und I-4) weist der Mantel Öffnungen auf (als gekrümmte Linie dargestellt). Der Mantel ist praktisch in Längsrichtung (ein- oder mehrmals, hier zwei mal) aufgeschnitten und eine Kante jeweils zur Rohrachse hin gekrümmt. Die Querschnitte (in Bild 4, unten, schematisch und beispielhaft dargestellt), sind so anzulegen, daß behälterseitig zunächst ein Hauptstrom geringen Durchmessers (G-4) gebildet wird, dann größeren Durchmessers (H-4) und letztlich mit dem Durchmesser des Hauptstroms (I-4). Die Kanten können sich jeweils in radialer Richtung etwas überlappen, zwischen ihnen können zur Stabilisierung wie zur Erzeugung der Bewegung in Längsrichtung der Rohrachse auch Leitbleche angebracht sein (hier nicht dargestellt).

Im rohrseitigen Bereich des Hauptstromrohres (in etwa im Bereich J-4) weist das Hauptstromrohr keine Öffnungen mehr auf. Dafür sind nun zwischen Hauptstromrohr und Trichterwandung spiralförmig Leitbleche (K-4) angebracht. Diese Leitbleche (L-4) laufen über das Ende des Hauptstromrohres (im Bereich M-4) hinaus und verjüngen sich, um letztlich den gesamten Durchmesser frei zu geben für die Potentialdrallströmung (B-4) im vollen Durchmesser des Auslaufrohres. Die Querschnitte (J-4 und M-4) zeigen dieses schematisch an.

3.2. Rohrauslauf bzw. Behältereinlauf Funktion

Dieses Konstruktionselement dient der Ausleitung eines Fluidstroms aus einem Rohr in einen Behälter, wobei die kinetische Energie bestmöglich in Druckenergie überführt werden soll.

Konstruktionsprinzip

Wenn Strömung in Druck überführt werden soll, muß die Geschwindigkeit der Strömung abgebaut werden durch eine Vergrößerung des Querschnitts, wobei Wirbelbildung bestmöglich zu vermeiden ist. Bei einem üblichen Diffusor wird der Radius des Rohres vergrößert, womit die Querschnittsfläche quadratisch anwächst. Der Fluidstrom wird dabei in axialer Richtung in den Behälter geleitet und es können sich Wirbel bilden bzw. Energieverlust eintreten, wenn die Querschnittserweiterung nicht entsprechend sanft erfolgt. Sinnvoller ist, die Strömung zuerst umzulenken in radiale Richtung und den Fluidstrom am Umfang des Rohres auszuleiten, weil der Umfang nur linear mit dem Radius anwächst. Die Strömungsgeschwindigkeit kann damit sanft abgebaut werden und selbst turbulente Rohrströmung kann damit beruhigt werden.

Konstruktive Ausführung

Bild 5 zeigt den schematischen Längsschnitt durch eine beispielhafte Ausführung dieses Konstruktionselement. Die Rohrwandungen (RW) ragen durch die Behälterwandung (BW) in den Behälter und verlaufen hyperbel­ förmig zu einem relativ großen Durchmesser eines Trichters (C-5). Ein entsprechend geformter Konus (E-5) ist auf der Rohrachse (RA) angebracht. Der Fluidstrom (A-5) wird in einem Kanal zwischen Trichter und Konus umgelenkt in radiale Richtung und tritt nahezu senkrecht zur Rohrachse (RA) in den Behälter ein (B-5). Leit­ bleche (D-5), ebenfalls hyperbelförmig ausgebildet, können diese Umlenkung unterstützen. Leitbleche (F-5), in radialer Richtung angeordnet, beruhigen den Fluidstrom zusätzlich. Auf diese Weise wird bei Potentialdrall­ strom wie auch turbulenter Strömung im Rohr die kinetische Energie bestmöglich abgebaut, d. h. Druck im Behälter aufgebaut.

3.3. Potentialdrallstromerzeuger Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, aus turbulenter Strömung im Rohr einen Potentialdrallstrom erzeugen bzw. diese zu erneuern bzw. zu verstärken.

Konstruktionsprinzip

Mittig auf der Rohrachse ist ein runder Körper eingebaut, welcher vorn und hinten abgeflacht ist. Diese Bauform wird nachfolgend "Insel" genannt. Der Durchmesser des Rohres wird im Bereich dieser Insel erweitert bzw. wieder reduziert, so daß der freie Querschnitt insgesamt etwa gleich groß bleibt. Die anstehende turbulente Strömung im Rohr wird damit zunächst in flächige Strombahnen aufgelöst. Die Insel selbst bewirkt keinen Widerstand, besonders wenn die Stromlinien um sie herum drallförmig geführt werden. Durch den Sog hinter der Insel bilden sich im Gegenteil automatisch und verstärkt ein Potentialwirbel aus. Durch entsprech­ ende Formgebung von Leitblechen zwischen Rohrwandung und Insel kann die gewünschte Potentialdrall­ strömung hergestellt werden.

Konstruktive Ausführung

In Bild 6 ist dieses Konstruktionselement schematisch und beispielhaft im Längsschnitt dargestellt. Beim Fluidstrom (A-6) vorn wird turbulente Strömung im Rohr unterstellt, welche hinten (B-6) als Potentialdrall­ strömung vorliegen soll. Auf der Rohrachse (RA) ist ein runder, vorn und hinten abgeflachter Körper (C-6, obige "Insel") eingebaut. Der Durchmesser der Rohrwandung (RW) nimmt in diesem Bereich entsprechend zu bzw. ab. Zwischen der Rohrwandung und der Insel sind Leitbleche (C-6) montiert. Es ist genügend Raum gegeben für eine Formgebung dieser Leitbleche, welche einerseits Drall und zudem die gewünschten Potential­ drallströmung zu erzeugen in der Lage sind. In Bild 6, rechts, ist ein solches Leitblech schematisch abgebildet. In Bild 6, unten, ist beispielsweise die Anstellung der Leitbleche in Bezug zur Rohrachse dargestellt (in Sektionen unterteilt, während die Leitbleche durchgängig geformt sein können). Dieses Konstruktionselement kann kombiniert werden mit einem Konstruktionselement zur Erzeugung der Rollschicht.

3.4, Rollschichterzeuger Funktion

Dieses Konstruktionselement soll für eine Strömung mit Drall die Rollschicht ausbilden. Ein entsprechendes Element gleicher Funktion wurde oben beim Behälterauslauf/Roheinlauf bereits beschrieben. Dieses Konstruktionselement Rollschichterzeuger kann mit verschiedenen anderen, hier vorgestellten Konstruktions­ elementen kombiniert werden.

Konstruktionsprinzip

Im Rohr ist ein Rohrabschnitt geringerem Durchmessers anzubringen. Damit sollen die Stromlinien des Hauptstroms von denen der Rollschicht getrennt werden, praktisch eine Grenzfläche ausgebildet werden. Zwischen äußerem Rohr und innerem Rohrabschnitt sind Leitbleche so anzuordnen, daß der gewünschte Drall erzeugt wird. Zwischen diese Leitblechen werden praktisch die Drallbahnen abgebildet. Die Leitbleche ragen über das Ende des inneren Rohrabschnitts hinaus, wobei sie sich verjüngen und letztlich wieder der gesamte Rohrdurchmesser zur Verfügung steht. Über diesen Bereich der Leitbleche streicht der Hauptstrom und erzeugt innerhalb dieser Drallbahnen eine Rotationsbewegung. Zusammen mit der Drallbewegung entstehen damit die gewünschte rollierende Bewegung der Rollschicht.

Konstruktive Ausführung

Bild 6 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch dieses Konstruktionselement. Hinter den Leitblechen (D-6) ist dort ein Rohrabschnitt (E-6) eingezeichnet, im Prinzip parallel zur Rohrwandung, mit geringerem Durchmesser als der Rohrdurchmesser, hier aufgrund des sich verjüngenden Rohrdurchmessers mit entsprechend geringeren Durchmessern. Zwischen Rohr und Rohrabschnitt sind Leitbleche (F-6) angebracht, welche spiralförmig dem gewünschten Drall entsprechend geformt sind. Diese Leitbleche ragen hinter dem Rohrabschnitt noch weiter in das Rohr hinein, weiterhin spiralförmig, jedoch sich verjüngend.

In Bild 8 ist dieses Konstruktionselement (E-8 und F-8) nochmals dargestellt. In Bild 7 befindet sich der Rohrabschnitt (E-7) nicht hinter einem Leitblech (G-7), sondern ist in dieses integriert.

3.5. Rohrquerschnittserweiterung Funktion

Dieses Konstruktionselement soll eine optimale Strömung bei Erweiterung des Rohrquerschnitts erzeugen.

Konstruktionsprinzip

Die Erweiterung des Querschnitts eines Rohres muß behutsam erfolgen, weil sich sonst ein Strömungsabriß mit Wirbelbildung und erheblicher Reibungswiderstand ergibt. Eine langsame Erweiterung des Querschnitts kann erreicht werden, wenn im Bereich der Erweiterung des Rohrdurchmessers eine Insel (obiger Definition) einge­ baut wird. Wenn die Rohrwandung bereits den vollen Durchmesser erreicht hat, kann der dem Fluid zur Verfügung stehende Querschnitt weiterhin langsam vergrößert wird durch entsprechende Formgebung der hintere Abflachung der Insel. Die Strömung muß nach der Querschnittserweiterung einen stärkeren Drall aufweisen als vorn. Durch entsprechend geformte Leitbleche zwischen Rohrwandung und Insel wird dieses erreicht.

Konstruktive Ausführung

Bild 7 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel dieses Konstruktionselement. Vorn (A-7) steht ein geringerer Durchmesser des Rohres zur Verfügung als hinten (B-7). Gleichzeitig mit der Ver­ größerung des Durchmessers der Rohrwandung (RW) erweitert sich der Durchmesser der Insel (C-7). Der Durchmesser der Insel verringert sich wieder, wenn der Rohrdurchmesser in etwa seinen vollen neuen Durch­ messer erreicht hat. Damit ist eine sanfte Vergrößerung des dem Fluid zur Verfügung stehenden Querschnittes insgesamt zu erreichen. Durch Leitbleche zwischen Rohrwandung und Insel ist die Drallbildung zu gewähr­ leisten. Hier sind diese Leitbleche zweigeteilt dargestellt (D-7 und G-7). Darunter ist beispielhaft die Anstellung dieser Leitbleche in Bezug zur Rohrachse (RA) dargestellt: vorn mit geringerer Anstellung als hinten. Das hintere Leitblech (G-7) ist hier kombiniert mit vorigem Konstruktionselement zur Erzeugung der Rollschicht (E-7 und F-7). Ganz unten in Bild 7 sind diverse Querschnitte schematisch gezeigt.

3.6. Rohrquerschnittsreduzierung Funktion

Dieses Konstruktionselement soll eine optimale Strömung bei Reduzierung des Rohrquerschnitts erzeugen.

Konstruktionsprinzip

Bei Reduzierung des Rohrquerschnitts entsteht normalerweise ein Widerstand. Dieser Widerstand kann reduziert werden, wenn die Verengung sanft erfolgt. Außerdem ist erforderlich, den Drall der Strömung entsprechend zu organisieren. Eine langsame Reduzierung des dem Fluid zur Verfügung stehenden Quer­ schnitts kann erreicht werden, wenn vor der Reduzierung des Rohrdurchmessers bereits eine Reduzierung dieses Querschnitts durch eine eingebaute Insel (nach obiger Definition) erfolgt. Erst mit der hinteren Abflachung der Insel wird dann auch die Reduzierung des Rohrdurchmessers vorgenommen. Die Strömung muß nach der Querschnittsreduzierung einen geringeren Drall aufweisen als vorn. Durch entsprechend geformte Leitbleche zwischen Rohrwandung und Insel wird dieses erreicht.

Konstruktive Ausführung

Bild 8 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel dieses Konstruktionselement. Vorn (A-8) steht ein größerer Durchmesser des Rohres zur Verfügung als hinten (B-8). Noch vor der Reduzierung des Durchmessers der Rohrwandung (RW) erweitert sich der Durchmesser der Insel (C-8). Der Durchmesser der Insel verringert sich wieder und dabei bzw. danach kann auch der Rohrdurchmesser seinen geringeren neuen Durchmesser erreichen. Damit ist eine sanfte Reduzierung des dem Fluid zur Verfügung stehenden Querschnittes insgesamt zu erreichen.

Durch Leitbleche (D-8) zwischen Rohrwandung und Insel ist die Steuerung des Dralls zu gewährleisten. Sie müssen so geformt sein, daß der Drall reduziert wird, d. h. die Bewegung in radialer Richtung reduziert wird zugunsten der Bewegung in Längsrichtung. Rechts in Bild 8 ist ein solches Leitblech schematisch dargestellt. Dieses Konstruktionselement kann kombiniert werden mit einem Rollschichterzeuger (E-8 und F-8).

3.7. Düse Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, eine maximale Beschleunigung des Fluids beim Austritt aus einem Rohr zu erzeugen.

Konstruktionsprinzip

Wie jede Querschnittsreduzierung ist auch bei einer Düse zunächst ein Widerstand gegeben. Zielsetzung einer Düse ist, eine möglichst hohe Geschwindigkeit des Fluidstroms zu erreichen. Entscheidend ist hierbei, eine möglichst geordnete Strömung zu erreichen. Der Fluidstrom sollte darum zunächst in einer Dimension geordnet werden, d. h. eine flächige Anordnung der Stromlinien zu erhalten. Dieses wird erreicht, indem zunächst der Rohrdurchmesser erweitert wird, ohne jedoch den dem Fluid zur Verfügung stehenden Quer­ schnitt zu erweitern. Eine mittig auf der Rohrachse eingebaute Insel ist dazu erforderlich. Im vorderen Bereich dieser Insel sind wiederum Leitbleche anzubringen, welche einen relativ starken Drall erzeugen und damit den Fluidstrom in einer zweiten Dimension ordnen. Der hintere Teil der Insel sollte dann sehr sanft abfallen, begleitet durch entsprechend reduzierten Rohrdurchmesser. Das Fluid wird damit in spiraliger Bahn geführt, wobei außen ein hoher Druck durch die Rohrwandung ausgeübt wird. Innen wird dagegen durch die zurück­ weichende Inselwandung ein Sog erzeugt. Zusammen ergibt sich daraus ein spiralförmig, nach vorn gerichteter Potentialwirbel. In diesem bewegen sich die Moleküle z. T. mit Molekulargeschwindigkeit in die gewünschte Richtung, zunehmend in axiale Richtung. Am Düsenmund wird noch immer eine Rotationsbewegung gegeben sein, welche sich jedoch positiv auswirkt im anschließenden freien Fall.

Konstruktive Ausführung

Bild 9 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel dieses Konstruktionselement. Vorn (A-9) steht turbulente Strömung, im günstigen Fall Potentialdrallströmung, mit einem relativen großen Quer­ schnitt an, hinten (B-9) soll der Fluidstrom maximal beschleunigt austreten bei relativ kleinem Querschnitt. Zwischen der mittig auf der Rohrachse (RA) eingebauten Insel (C-9) und dem größer werdenden Durchmesser der Rohrwandung (RA) steht dem Fluid ein geringer werdender Querschnitt zur Verfügung. Zugleich wird der Fluidstrom durch die zwischen Rohrwandung und Insel installierten Leitbleche (D-9) in relativ starke Drall­ strömung versetzt. Nach dem größten Durchmesser der Rohrwandung sind Leitbleche nicht mehr erforderlich. Der Fluidstrom wird vielmehr durch die geringer werdende Durchmesser der Rohrwandung wie der Insel in stets enger werdende Spiralbahnen gelenkt um dann am Düsenmund auszutreten. In Bild 9 sind unten beispielhaft die Anstellungswinkel der Leitbleche in Bezug auf die Rohrachse dargestellt.

3.8. Düse mit ringförmigem Strahl Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, eine maximale Beschleunigung des Fluids beim Austritt aus einem Rohr zu erzeugen, wobei der Strahl ringförmig austreten soll.

Konstruktionsprinzip

Ein ringförmiger Austritt eines Düsenstrahls kann gewünscht sein, z. B. bei Turbinen. Es gelten vorgenannte Prinzipien der Düse. Nur werden hierbei hinten die Durchmesser der Rohrwandung wie der Insel nicht auf das Minimum reduziert, könnte sogar gleichbleibend sein oder größer werden.

Konstruktive Ausführung

Bild 10 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiels dieses Konstruktionselement. Die Konstruktion gleicht der vorigen Düse. Nur werden hinten (B-10) die Durchmesser des Rohres wie der Insel sehr viel weniger reduziert. Alternativ dazu könnten die Durchmesser sogar weiter anwachsend sein, womit die Zentrifugalkraft des Strahles zu nutzen wäre. Rechts in Bild 10 ist dargestellt, daß dieser Strahl neben der axialen Bewegungsrichtung auch eine starke Bewegung in radialer Richtung aufweisen wird.

3.9. Drosselklappe Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, die Durchflußmenge im Rohr steuerbar zu machen bei minimalem Widerstand.

Konstruktionsprinzip

Drosselklappen erzeugen normalerweise einen hohen Widerstand und führen zu Turbulenzen. Besonders schädlich sind dabei die Spalte zwischen Drosselklappe und Rohrwandung. Dieses ist zu vermeiden, wenn mittig im Rohr eine Insel eingebaut und der Durchmesser der Rohrwandung so angelegt wird, daß stets ein gleich großer Querschnitt verfügbar ist. In einem Bereich müssen dazu die Rohrwandung wie die Inselwandung kreisförmig ausgelegt sein, räumlich gesehen also Kugelabschnitte darstellen.

In diesem Rohrwandungsbereich wie Inselwandungsbereich kann drehbar gelagert die Drosselklappe einge­ lassen sein. Im freien Querschnitt der Fluidströmung stellt die Drosselklappe damit ein bogenförmiges Leit­ blech dar. In der Regel wird die Drosselklappe nicht völlig parallel zur Rohrachse gestellt (ganz geöffnet) sein, sondern eine Anstellung zur Rohrachse aufweisen, um die Vorteile dieser Konstruktion hinsichtlich der Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung eines Dralls zu nutzen. In der Regel werden mehrere Drosselklappen eingebaut sein. Je größer die Anstellung mit Bezug auf die Rohrachse, desto stärker wird der Drall sein, desto geringer der freie Querschnitt zwischen den Drosselklappen, desto geringer der Durchfluß. Bei entsprechender Formgebung kann diese Konstruktion auch als Absperrventil eingesetzt werden.

Konstruktive Ausführung

Bild 11, links, zeigt schematisch einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel dieses Konstruktions­ element. Der Fluidstrom wird von vorn (A-11) nach hinten (B-11) um die mittig eingebaute Insel (C-11) geführt. Die Rohrwandung ist in diesem Bereich mit größerem Durchmesser angelegt, so daß stets ein gleich großer Querschnitt dem Fluidstrom zur Verfügung steht. Im mittigen Bereich sind sowohl Rohrwandung wie auch die Insel kugelförmig geformt. Darin drehbar gelagert ist die Drosselklappe (D-11). Ein Teil davon ist in die Rohrwandung, ein anderer Teil in die Insel eingelassen. Dazwischen ist ein Kanal in diese Drosselklappe eingearbeitet, dessen innere wie äußere Wandungen wiederum Kugelabschnitte darstellen. Die Drosselklappe selbst wird durch einen Steg (praktisch ein Leitblech) in diesem Kanal dargestellt.

In Bild 11, rechts, ist ein Querschnitt schematisch dargestellt. Die Drosselklappe (D-11) befindet sich dabei in einer Stellung parallel zur Rohrachse (RA). Links und rechts davon ist der kugelförmig gekrümmte Kanal für den Durchfluß des Fluids. Selbstverständlich sollten mehrere solche Drosselklappen auf einer radialen Ebene angelegt sein. Die Stege der Drosselklappen können sich dabei auch überlappen und bei gänzlich geschlos­ senen Drosselklappen auch ein Absperrventil darstellen.

3.10. Leitwerk bei ringförmigem Strahl Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, die Durchflußmenge im Rohr wie die Anstellung eines ringförmigen Strahls vor dem Einlauf in eine Turbine optimal zu steuern.

Konstruktionsprinzip

Vorige Konzeption einer Drosselklappe hat neben der Drosselfunktion zugleich die Funktion von Leitblechen zur Erzeugung eines Dralls. Beide Funktionen sind z. T. erforderlich beim Einlauf in Turbinen. Analog zu oben beschriebener Düse mit ringförmigem Strahl kann vorige Konzeption einer Drosselklappe eingesetzt werden, um einen ringförmigen Strahl zu erzeugen bzw. dessen Durchflußmenge wie Drall zu steuern. Der kugel­ förmige Bereich der Rohrwandung wie der Inselwandung sollte dabei nicht senkrecht auf der Rohrachse angelegt sein.

Konstruktive Ausführung

Bild 12 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel dieses Konstruktionselement. Die Konstruktion ist einerseits analog zur vorgenannten Drosselklappe. Nur ist hierbei die Drehachse der Drossel­ klappe (D-12) gegenüber der Rohrachse (RA) schräg angestellt. Andrerseits ist diese Konstruktion analog zu oben beschriebener Düse mit ringförmigem Strahl. Wie dort könnte hinter der Drosselklappe der Fluidstrom (B-12) parallel zur Rohrachse (wie hier dargestellt), mit reduzierten oder auch größeren Durchmessern von Rohrwandung und Insel (C-12) fortgeführt werden.

3.11. Bogen Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, einen optimalen Fluidstrom in einem Rohrbogen zu gewährleisten.

Konstruktionsprinzip

Wenn ein Fluidstrom in einem herkömmlichen Rohrbogen geführt wird, ergibt sich an der Innenseite des Bogens ein Strömungsabriß und damit vorn turbulente Strömung mit erheblichem Widerstand. Um dieses zu vermeiden, muß der Fluidstrom im Bereich des Bogens eine Drallbewegung ausführen. Dabei muß über die Distanz des Bogens mindestens eine volle Rotation um die Rohrachse erfolgen. Dann ist gewährleistet, daß alle vergleichbaren Stromlinien gleiche Länge aufweisen. Durch entsprechend geformte Leitbleche ist diese Drall­ bewegung zu erreichen. Anstelle des Nachteils herkömmlicher Rohrbogen ergeben sich dabei automatisch die Vorteile der Potentialdrallströmung.

Konstruktive Ausführung

Bild 13, links, zeigt schematisch einen Längsschnitt durch dieses Konstruktionselement. Beispielsweise ist hier ein 90-Grad-Bogen dargestellt. Vier Stromlinien sind in der Draufsicht dargestellt. Die über der Zeichnungs­ ebene liegende Teile der Stromlinien sind dick gezeichnet, die unter der Zeichnungsebene liegenden Teile der Stromlinien sind dünner gezeichnet. Die Stromlinien führen in Bild 13 von unten nach oben rechts. Eine Stromlinie (L-13) beginnt und endet auch wieder am linken Rand des Rohres. Analog dazu ist eine Stromlinie (R-13) gezeichnet welche am rechten Rand des Rohres beginnt und endet, eine Stromlinie (U-13) am unteren Rand, eine Stromlinie (O-13) am oberen.

Es ist leicht zu erkennen, daß alle diese Stromlinien von Bogenanfang bis Bogenende die gleiche Länge aufweisen und auch insgesamt die gleichen Krümmungen. Die Drallrichtung ist hier rechtsdrehend, also im Uhrzeigersinn. In Bild 13, rechts, ist die Position einer Stromlinie (L-13) an verschiedenen Querschnitten (A-13, B-13, C-13, D-13, E-13) dargestellt. Diese Drallbewegung wird erzeugt, wenn die in diesen Quer­ schnitten eingezeichneten Durchmesser ein entsprechend gewendeltes Leitblech darstellen.

In Bild 14, links, sind nochmals zwei vergleichbare Stromlinien (M-14 und N-14) dargestellt, welche auf einem Durchmesser, jedoch relativ nahe der Rohrachse sich befinden. Auch diese beiden Stromlinien sind gleich lang von Bogenanfang bis Bogenende, jedoch kürzer als die in Bild 13 dargestellten, äußeren Strom­ linien. Dadurch ist automatisch die Fließgeschwindigkeit innerer Stromlinien größer als die von benachbarten äußeren.

Um einen vollständigen Potentialdrallstrom zu erzeugen, müssen die inneren Stromlinien zusätzlich auch eine stärkere Rotation um die Rohrachse ausführen. Dieses wird erreicht, wenn anstatt obigen, im Querschnitt linearen Leitbleches das Leitwerk gebogene Formen aufweist. In Bild 14, rechts, ist beispielsweise ein Leit­ werk aus drei Leitblechen dargestellt, wiederum bei den Querschnitten (A-14, B-14, C-14, D-14 und E-14).

Eines der Leitbleche ist außen per Kreis gekennzeichnet. Die Leitbleche haben in Bogenmitte (C-14) im Querschnitt lineare Form. Nach vorn (D-14 und E-14) sind sie gebogen und laufen dabei innen der Dreh­ richtung voraus, hinten (A-14 und B-14) weisen sie innen entgegen der Drehrichtung. Innere Stromlinien erhalten damit eine stärkere Rotation als äußere Stromlinien. Durch diese prinzipielle Formgebung der Leitbleche wird selbst turbulente Strömung am Bogenanfang nach Durchfluß des Bogens eine Potential­ drallströmung aufweisen.

In Bild 14 ist der Querschnitt der Segmente zwischen den Leitblechen stets gleich. Das Volumen eines Bogenabschnitts der jeweils innen liegenden Segmente ist jedoch geringer als das der benachbarten, äußeren Segmentabschnitte. Dieses führt innerhalb eines Segmentes zu Beschleunigung bzw. Verzögerung, also Schubspannung. Das kann beseitigt werden, wenn der Mittelpunkt der Leitbleche nicht durchgängig auf der Rohrachse angeordnet ist (wie in Bild 14 dargestellt), sondern z. T. zur Bogenaußenseite hin verlagert ist. Dann ist eine vollkommen harmonische Führung des Fluidstroms im Bogen gewährleistet, ist nach dem Bogen eine optimale Strömung gegeben (anstelle der herkömmlichen turbulenten Strömung).

Vorn kann ein Bogen zusätzlich kombiniert sein mit dem Konstruktionselement Rollschichterzeugung.

3.12. Potentialdrallstrom-Leitwerk Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, eine Potentialdrallströmung im Rohr zu erzeugen bzw. aufrecht zu erhalten.

Konstruktionsprinzip

Das Leitwerk des oben beschriebenen Rohrbogens kann analog auch für einen geraden Rohrabschnitt ver­ wendet werden. Es wird dann ebenso aus einer turbulenten Strömung eine Potentialdrallströmung erzeugen. Nach Einbauten im Rohr, z. B. Absperrventilen, ist jede Strömung gestört. Dieses Konstruktionselement kann dann dazu dienen, eine zuvor vorhandene Potentialdrallströmung wieder zu stabilisieren.

Konstruktive Ausführung

Bild 15, oben, zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel dieses Konstruktions­ elementes. Es zeigt zwei Stromlinien in der Draufsicht. Die über der Zeichnungsebene liegende Teile sind wiederum dick gezeichnet, die unter der Zeichnungsebene befindliche Teile dünner gezeichnet. Eingezeichnet ist eine Stromlinie (L-15), welche am linken Rand des Rohres beginnt, sowie eine Stromlinie (M-15), welche mittig nahe der Rohrachse beginnt. Deutlich erkennbar ist, daß die mittige Stromlinie einen kürzeren Weg aufweist als die äußere Stromlinie. In Bild 15, unten, sind die Durchmesser verschiedener Positionen (A-15, B-15, C-15, D-15 und E-15) dargestellt. Das Leitwerk wurde hier beispielsweise aus nur einem Leitblech bestehend dargestellt.

In der mittleren Position (C-15) weist es einen linearen Querschnitt auf. Nach vorn (D-15 und E-15) eilt das Leitblech zur Mitte hin der Rotation (hier im Uhrzeigersinn) voraus, nach hinten (B-15 und A-15) ist es gegen die Rotationsrichtung gekrümmt. Als Kreise markiert sind die Positionen der äußeren Stromlinie (L-15) sowie der inneren (M-15). Die äußere Stromlinie beschreibt eine gleichförmige Rotation um die Rohrachse, hier beispielsweise um etwa 240 Grad. Die innere Stromlinie dagegen weist auf der gleichen Distanz eine Rotation um etwa 480 Grad auf.

Ein Leitwerk dieser Konzeption kann selbstverständlich auch aus mehreren Leitblechen gebaut werden. Durch dieses Leitwerk wird gewährleistet, daß innere Stromlinien sowohl in Längsrichtung des Rohres als auch in radialer Richtung größere Geschwindigkeit aufweisen als jeweils benachbarte äußere Stromlinien. Es erzeugt damit zuverlässig eine Potentialdrallströmung.

Vorn kann ein Potentialdrallstrom-Leitwerk ergänzt werden um das Rollschichterzeugung.

3.13. Einleitung bzw. Ausleitung Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, eine optimale Strömung zu erzeugen, wenn Fluidströme aus zwei Rohren in ein Rohr vereinigt werden bzw. wenn aus einem Rohr der Fluidstrom in zwei Rohre zu teilen ist.

Konstruktionsprinzip

Zuerst soll das Vereinigen von Fluidströmen dargestellt werden. Voraussetzung ist, daß beide zu vereinigenden Fluidströme Drall aufweist, am besten Potentialdrallströmungen darstellen. Dieses kann beispielsweise erreicht werden durch voriges Potentialsdrallstrom-Leitwerk. Prinzipiell ist der Durchmesser eines der beiden Rohre bei der Vereinigung zu erweitern (vorzugsweise der des Rohres mit dem größeren Fluiddurchsatz), während der Durchmesser des anderen Rohres zu verringern ist, beides in der Weise, daß in etwa stets ein gleich großer Gesamtquerschnitt gegeben ist. Ein Rohr ist somit das den Fluidstrom aufnehmende Rohr, das andere das den Fluidstrom abgebende Rohr. Wesentlich ist, daß prinzipiell sowohl das Abgeben wie das Aufnehmen eines Fluidstromes jeweils tangential am jeweiligen (sich verjüngenden bzw. erweiternden) Rohr erfolgen muß. Die Distanz zwischen beiden Rohren ist durch einen Kanal zu überbrücken.

Der Vorteil dieses Verfahrens ist folgender: im abgebenden Rohr erfährt die Drallbahn praktisch nur eine Verringerung ihrer Krümmung, der Fluidstrom wird dabei ohne Wirbelbildung in tangentialer Richtung in den Überleitungskanal abgeführt. Der Überleitungskanal mündet wiederum tangential in das aufnehmenden Rohr. An dessen Rohrwandung ist die Fließgeschwindigkeit normalerweise praktisch null. Anstelle dessen fließt nun tangential Fluid ein mit höhere Geschwindigkeit als null. Dieses bewirkt einen Drehimpuls auf den bisherigen Hauptstrom, d. h. dieser wird in höhere Rotationsgeschwindigkeit versetzt.

Die Geschwindigkeit des einfließenden Stroms sollte dabei allerdings nicht wesentlich höher sein als die Geschwindigkeit außen am Hauptstrom im aufnehmenden Rohr, weil sonst ein Starrer Wirbel im aufnehmenden Rohr entstünde. Wichtiger ist vielmehr, daß das einfließende Fluid auf den Hauptstrom des aufnehmenden Rohres einen von außen nach innen wirkenden Druck ausübt, womit der Potentialwirbeldrall des Hauptstroms im aufnehmenden Rohr verstärkt wird.

Mit diesem Verfahren werden die beiden Fluidströme keinesfalls nur gemischt zu einem neuen Geschwindig­ keitsdurchschnitt. Die Bewegungs- bzw. Druckenergie des abgebenden Rohres wird vielmehr dazu verwendet, die kinetische Energie im aufnehmenden Rohr zu verstärken, so daß beide Fluidströme zusammen eine größere geordnete Bewegungseinheit darstellen.

Wenn ein Fluidstrom eines Rohres in zwei Fluidströme zweier Rohre überführt werden soll, gelten vorige Prinzipien vollkommen analog. Aus dem abgebenden Rohr werden zunächst nur die äußeren Stromschichten relativ geringer Geschwindigkeit abgegeben. Die Hauptströmung des abgebenden Rohres bleibt also zum großen Teil erhalten. Im aufnehmenden Rohr dagegen wird automatisch wieder durch das tangentiale Einfließen eine Potentialdrallströmung aufgebaut.

Von besonderer Bedeutung ist die Kombination eines Trennens und Zusammenführens: es werden nur die äußeren, relativ langsamen Stromschichten aus einem Rohr entnommen (während der relativ schnellere Hauptstrom weiter fließt). Die entnommene Teilmenge wird über eine Pumpe auf höhere Geschwindigkeit bzw. höheren Druck gebracht, um anschließend wieder dem Hauptstrom zugeführt zu werden. Dieses Verfahren ist außerordentlich sinnvoll bei Druckleitungen.

Konstruktive Ausführung

In Bild 16, links, ist dieses Konstruktionselement schematisch dargestellt. Links sind zwei Rohre im Quer­ schnitt dargestellt, ein aufnehmendes Rohr (A-16) und ein abgebendes Rohr (B-16), hier beispielsweise mit unterschiedlichen Durchmessern. In beiden Rohren sollten die Strömungen Drall aufweisen, vorzugsweise Potentialdrallströmung, in beiden Rohren mit gleichsinniger Drehbewegung. Das aufnehmenden Rohr sollte höhere Geschwindigkeit der Bewegungen aufweisen, im abgebenden bevorzugt Druck anstehen. Diese Voraus­ setzungen sind mit vorstehend beschriebenen Konstruktionselementen zu erreichen. Im abgebenden Rohr wird tangential Fluidstrom abgeführt, dieser über einen Kanal (C-16) geleitet und dem aufnehmenden Rohr wieder­ um tangential zugeführt.

In Bild 16, rechts, ist schematisch ein Längsschnitt durch dieses Konstruktionselement dargestellt. Analog zur Abführung bzw. Zuführung von Fluidstrom verjüngt bzw. erweitert sich der Durchmesser des abgebenden bzw. aufnehmenden Rohres. Zwischen beiden ist der Überleitungskanal dargestellt. Diese Darstellungen sind rein schematisch. Normalerweise werden z. B. die beiden Rohre vorn nicht parallel verlaufen, sondern beispiels­ weise wird das abgebende Rohr senkrecht mit einem Bogen (obiger Bauart) zum aufnehmenden Rohr geführt sein. Ebenso wird man den Überleitungskanal mit möglichst geringer Distanz anlegen. Auch wird man die Verjüngung bzw. Erweiterung der Durchmesser mit möglichst flachem Verlauf anlegen. In jedem Fall kann auch vorn wiederum das Konstruktionselement Rollschichterzeugung eingesetzt werden.

In analoger Bauweise und nach gleichen Prinzipien wird man Abzweigungen konstruieren. Ein konventionelles T-Stück wird nach diesen Prinzipien so gebaut sein, daß das abgebende Rohr oben und unten zwei Überleit­ kanale aufweist, welche zwei zunächst parallel laufende aufnehmende Rohre speist, die dann in Bogen übergehen, welche in gegensätzliche Richtung weisen.

3.14. Potentialdrallstrom-Rohr Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, fortwährend eine Potentialdrallströmung im Rohr zu gewährleisten, allein aufgrund seiner Formgebung.

Konstruktionsprinzip

Durch vorgenannte Konstruktionselemente kann die an sich stabile Potentialdrallströmung im Rohr erzeugt werden oder wieder hergestellt werden, wenn Einbauten im Rohr die optimale Strömung störten oder die Potentialdrallströmung über lange Rohrdistanz abgeschwächt wurde.

Durch spezielle Formgebung des Rohres selbst kann die Potentialdrallströmung fortgesetzt konstant gehalten werden. Dieses wird erreicht, wenn anstelle der relativ dünnen Rollschicht wiederum Potentialdrallströme organisiert werden von größerem Durchmesser als in oben beschriebener Rollschicht. Diese werden im folgenden "Nebenströme" genannt. Das Rohr muß dazu Ausbuchtungen aufweisen, in welchen diese Potentialdrallströme, respektive Nebenströme, praktisch stationär sind. Ausbuchtungen dieser Art ergeben sich, wenn der Querschnitt eines Rohres beispielsweise ein gleichschenkliges Dreieck bildet und die Ecken abgerundet sind. Ein Quadrat als Querschnitt ist weniger geeignet, wohl aber ein Fünf- oder Sechseck bzw. eine höhere Anzahl von (jeweils abgerundeten) Ecken.

Der mittige Hauptstrom im Rohr grenzt dann nicht am gesamten Umfang an die Rohrwandung (bzw. eine dünne Rollschicht). Über weite Teile des Umfangs des Hauptstroms bilden sich vielmehr Grenzflächen gegenüber den gegenläufig rotierenden Nebenströmen. Der Hauptstrom ist damit weitgehend unabhängig von Reibung an der Rohrwandung. Die Nebenströme unterliegen dieser Reibung und werden darum eine geringere Geschwindigkeit ihrer Bewegungen aufweisen. Damit bleibt der Druck in Richtung Rohrmitte, also von außen auf den Hauptstrom, erhalten und die Potentialdrallströmung des Hauptstroms damit stabil.

Damit die Nebenströme ihrerseits stabil bleiben, muß das Rohr insgesamt gewendelt sein. Wie bei den Drall­ bahnen der Rollschicht muß diese Wendelung in gleichem Drehsinn wie der Hauptstrom angelegt sein. Dort wo der Nebenstrom in Richtung Wandung fließt, weicht diese Wandung durch die Wendelung praktisch zurück, d. h. entsteht ein relativer Unterdruck. Dort wo die Nebenstrom von der Wandung weg fließt, folgt die Wandung dieser Bewegung, erzeugt einen relativen Überdruck. Beides zusammen fördert die Rotation des Nebenstromes. Andrerseits ergibt sich durch die Wendelung des Rohres im Drehsinn des Hauptstromes, daß dieser bei einer vollen Umdrehung ("über Grund") gegenüber der Rohrwandung eine geringere Drehung ausgeführt hat. Damit ist insgesamt eine geringere Reibung gegenüber der Rohrwandung gegeben.

Generell gilt: um eine optimale Strömung im Rohr zu erreichen, ist die Ausbildung einer Rollschicht uner­ läßlich. Gerade diese aber ist besonders gefährdet (im Vergleich zum Hauptstrom) und kann durch Unebenheit der Oberfläche der Rohrwandung abreißen. Bei diesen speziellen Potentialdrallrohren jedoch kann sich die Rollschicht auf den relativ kurzen Distanzen zwischen den Nebenströmen gut ausbilden und jederzeit wieder aus diesen regenerieren. Damit wird die Strömung insgesamt wiederum stabiler.

Rohre dieser Art sind in der Herstellung aufwendiger als runde Rohre, jedoch per Kunststoff beispielsweise problemlos zu fertigen. Durch geringere Förderkosten bzw. bessere Energienutzung im laufenden Betrieb werden sie dennoch die wirtschaftlichere Lösung sein.

Konstruktive Ausführung

In Bild 17 ist dieses Konstruktionselement schematisch dargestellt. Links sind zwei Rohre im Querschnitt dargestellt, oben ein sechseckiges und darunter ein dreieckiges Rohr als Beispiele, beide jeweils mit gerundeten Ecken. Beim sechseckigen Rohr sind die Nebenströme (A-17) eingezeichnet mit einer Drehung im Uhrzeigersinn, mittig und gegenläufig der Hauptstrom (B-17).

Die Nebenströme werden in Realität nicht diese reine Kreisform aufweisen, sondern im Querschnitt längliche Wirbel bilden. Beim dreieckigen Rohr sind analog die drei Nebenströme (C-17) und der Hauptstrom (D-17) dargestellt. Dort grenzt der Hauptstrom noch teilweise direkt an die Rohrwandung. Allerdings werden diese Bereiche durch die länglichen Wirbel der Nebenströme abgedeckt sein bzw. sich über die restliche Distanz eine stabile Rollschicht ausbilden.

In Bild 17, rechts, ist schematisch und beispielhaft anhand des dreieckigen Rohres (E-17) dargestellt, wie dieses in Längsrichtung gewendelt ist. Die drei gezeigten Querschnitte darin sind jeweils um 60 Grad gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Die Seitenflächen drehen sich damit in gleichem Sinne wie der Hauptstrom. Diese prinzipielle Bauform entspricht bestmöglich, und soweit technisch realisierbar, den Anforderungen optimaler Fluidströmung.

4. Zusammenfassung

Die Moleküle eines Fluidstroms legen von Anfang bis Ende eines Rohrsystems ein Mehrfaches dieser Strecke zurück (in Größenordnung des Zehn- bis Hundertfachen). Es ist also unerheblich, wenn durch Drall im Rohr das Fluid die doppelte oder auch zehnfache Strecke zurück legt.

Der Energieaufwand zur Erzeugung der dazu erforderlichen Drallbewegung geht dem System nicht verloren, kann durch Aufstellen des Dralls jederzeit wieder kompensiert werden. Andrerseits ist jedoch die Drall­ bewegung direkt nutzbar am Rohrende.

Entscheidend ist also, daß der Fluidstrom in optimaler Weise geordnet erfolgt. Dieser Zielsetzung werden die vorigen Konstruktionselemente gerecht.

Claims (14)

1. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Behälterauslauf bzw. Rohreinlauf", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

• - die Rohrwandung eines durch eine Behälterwandung in einen Behälter ragenden Auslaufrohres sich hyperbelförmig zu einem Trichter erweitert,
• - behälterseitig dieser Trichter durch einen Deckel begrenzt wird,
• - zwischen Trichter und Deckel Leitbleche angebracht sind dergestalt, daß damit Fluid tangential in den Trichter einfließen kann, wobei diese Leitbleche auch beweglich sein können,
• - auf der Rohrachse am Deckel beginnend und bis in das Auslaufrohr reichend ein Hauptstromrohr installiert ist, dessen Durchmesser geringer ist als der des Auslaufrohres,
• - der Mantel des Hauptstromrohres ein oder mehrmals in gerader oder gekrümmter Linie unterteilt ist und jeweils eine Kante davon nach innen spiralig gekrümmt ist,
• - das Hauptstromrohr im Bereich des Auslaufrohres keine seitlichen Öffnungen mehr aufweist,
• - vielmehr in diesem Bereich zwischen Hauptstromrohr und Trichterwand Leitbleche mit spiraligem Verlauf angebracht sind,
• - diese Leitbleche über das Ende des Hauptstromrohres hinaus ragen, wobei die Höhe der Leitbleche auslaufend ist.

2. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Rohrauslauf bzw. Behältereinlauf", weiches dadurch gekennzeichnet ist, daß

• - die Rohrwandungen eines durch eine Behälterwandung in einen Behälter ragenden Rohres sich hyperbelförmig zu einem Trichter erweitern,
• - auf der Rohrachse ein ebenfalls hyperbelförmiger Konus angebracht ist,
• - so daß zwischen Trichter und Konus ein Kanal gebildet wird, in welchem der Fluidstrom in radiale Richtung umgeleitet wird,
• - diese Umlenkung durch ebenfalls hyperbelförmig geformte Leitbleche in diesem Kanal unterstützt werden kann,
• - und am behälterseitigen Ende dieses Kanals Leitbleche in radialer Richtung angeordnet sein können.

3. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Potentialdrallstromerzeuger", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

• - in einem Rohr mittig auf der Rohrachse ein runder Körper eingebaut ist, welcher vorn und hinten abgeflacht ist (im folgenden "Insel" genannt),
• - der Durchmesser der Rohrinnenwandung in diesem Bereich so dimensioniert ist, daß insgesamt in etwa eine gleich große Querschnittsfläche dem Fluid zur Verfügung steht,
• - zwischen Rohrinnenwandung und Insel Leitbleche angebracht sind, welche so geformt sind, daß eine Drallbewegung aufgestellt wird, wobei der Drall außen stärker als innen sein kann,
• - dieses Konstruktionselement eventuell kombiniert wird mit einem Konstruktionselement laut Patentanspruch 4.

4. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Rollschichterzeuger", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

• - in einem Rohr ein Rohrabschnitt geringeren Durchmessers eingebaut ist,
• - zwischen Rohr und Rohrabschnitt Leitbleche spiralförmig angebracht sind,
• - diese Leitbleche über das Ende des Rohrabschnitts hinaus laufen und sich dabei verjüngen.

5. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Rohrquerschnittserweiterung", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

• - in einem Rohr mittig auf der Rohrachse ein runder Körper eingebaut ist, welcher vorn und hinten abgeflacht ist (im folgenden "Insel" genannt),
• - der Durchmesser der Rohrinnenwandung in dem Maße vergrößert wird, daß zwischen Rohrinnenwandung und Insel die dem Fluid zur Verfügung stehende Querschnittsfläche möglichst sanft anwächst,
• - zwischen Rohrinnenwandung und Insel Leitbleche angebracht sind, welche so geformt sind, daß ein Drall aufgestellt bzw. verstärkt wird, wobei jeweils der Drall außen stärker als innen sein kann,
• - dieses Konstruktionselement eventuell kombiniert wird mit einem Konstruktionselement laut Patentanspruch 4.

6. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Rohrquerschnittsreduzierung", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

• - in einem Rohr mittig auf der Rohrachse ein runder Körper eingebaut ist, welcher vorn und hinten abgeflacht ist (im folgenden "Insel" genannt),
• - der Durchmesser der Rohrinnenwandung in dem Maße verringert wird, daß zwischen Rohrinnenwandung und Insel die dem Fluid zur Verfügung stehende Querschnittsfläche möglichst sanft verringert wird,
• - zwischen Rohrinnenwandung und Insel Leitbleche angebracht sind, welche so geformt sind, daß eine Drallbewegung gesteuert wird, so daß der Drall abgeschwächt wird, wobei jeweils der Drall außen stärker als innen sein kann,
• - dieses Konstruktionselement eventuell kombiniert wird mit einem Konstruktionselement laut Patentanspruch 4.

7. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Düse" welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

• - in einem Rohr mittig auf der Rohrachse ein runder Körper eingebaut ist, welcher vorn und hinten abgeflacht ist (im folgenden "Insel" genannt),
• - die Durchmesser der Rohrinnenwandung wie der Insel zunächst wesentlich vergrößert werden, so daß die dem Fluidstrom zur Verfügung stehende Querschnittsfläche sich kontinuierlich verkleinert,
• - bis etwa zum größten Durchmesser des Rohres zwischen Rohrinnenwandung und Insel Leitbleche angebracht sind, welche so geformt sind, daß ein relativ starker Drall erzeugt wird,
• - danach die Durchmesser der Rohrinnenwandung wie der Insel sanft verringert werden, wobei die dem Fluid zur Verfügung stehende Querschnittsfläche weiter reduziert wird.

8. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Düse mit ringförmigem Strahl", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

• - sie den Kennzeichen laut Patentanspruch 6 entspricht,
• - jedoch im Auslaufbereich der Durchmesser der Insel nicht auf null reduziert wird.

9. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Drosselklappe", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

• - in einem Rohr mittig auf der Rohrachse ein runder Körper eingebaut ist, welcher vorn und hinten abgeflacht ist (im folgenden "Insel" genannt),
• - die Rohrinnenwandung wie die Insel in einem mittleren Abschnitt die Form von Kugeloberflächen bilden,
• - die Durchmesser der Rohrinnenwandung wie der Insel so dimensioniert sind, daß die dem Fluidstrom zur Verfügung stehende Querschnittsfläche in etwa konstant ist,
• - in obigem kugeloberflächenförmigem Abschnitt ein runder, drehbar gelagerter Körper (Drosselkörper genannt) sowohl in die Rohrwandung als auch in der Insel eingelassen ist,
• - welcher einen Kanal aufweist, dessen Wandungen ebenfalls kugeloberflächenförmig sind und den (Kugel-) Durchmesser der dortigen Rohrinnenwandung bzw. der Insel entsprechen,
• - im Kanal des Drosselkörpers ein Steg ist, welcher auf einem Durchmesser des Drosselkörpers angeordnet ist,
• - mehrere Drosselkörper dieser Art auf einer axialen Ebene zur Rohrachse angeordnet sein können.

10. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Leitwerk bei ringförmigem Strahl", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

• - es den Kennzeichen des Patentanspruchs 9 entspricht, jedoch
• - die Achse des Drosselkörpers nicht senkrecht auf der Rohrachse steht und
• - der Durchmesser der Insel im Auslaufbereich nicht auf null reduziert wird.

11. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Bogen", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

• - in einem gebogenen Abschnitt eines Rohres ein oder mehrere Leitbleche so angeordnet sind,
• - daß der Fluidstrom vom Anfang bis zum Ende des Bogens einen Drall mit mindestens einer vollen Drehung um die Rohrachse aufweist,
• - die Mittelachse des/der Leitbleche nicht identisch mit der Mittelachse des Rohres sein muß, vielmehr sich zumindest teilweise weiter zur Außenseite des Bogens befinden kann,
• - die Leitbleche im Einlaufbereich eine Krümmung gegen die Drallrichtung aufweisen können und im Auslaufbereich eine Krümmung aufweisen können in Drallrichtung.
• - dieses Konstruktionselement eventuell kombiniert wird mit einem Konstruktionselement laut Patentanspruch 4.

12. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Potentialdrallstrom-Leitwerk", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

• - es den Kennzeichen des Patentanspruchs 11 entspricht, jedoch das/die Leitbleche in einem geraden Rohr eingerichtet ist/sind.

13. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Einleitung bzw. Ausleitung", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

• - aus einem Rohr durch eine Öffnung am Mantel in tangentialer Richtung Fluid entströmt und durch einen Überleitkanal wiederum tangential durch eine Öffnung am Mantel des zweiten Rohres in dieses Rohr Fluid eingeleitet wird, wobei sich der Durchmesser des ersten Rohres verringert, der des zweiten sich erweitert, so daß insgesamt in etwa dem Fluid eine gleich große Querschnittsfläche zur Verfügung steht,
• - oder aus einem Rohr auf analoge Weise Fluid entnommen und in ein zweites Rohr ausgeleitet wird,
• - oder aus einem Rohr auf analoge Weise der Fluidstrom zugleich auf zwei andere Rohre verteilt wird.

14. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Potentialdrallstrom-Rohr", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

• - ein Rohr den Querschnitt eines gleichschenkligen Dreiecks oder gleichschenkligen Vielecks aufweist,
• - dessen Ecken gerundet sind und
• - das Rohr insgesamt gewendelt ist.