DE19945009C2 - Rohrleitungselement für eine Rohrleitung zum Transportieren fließfähiger Medien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Rohrleitungen zum Transportieren von fließfähigen Medien, bei denen die Rohrinnenseite, welche mit dem fließfähigen Medium in Berührung kommt, eine strukturierte Oberfläche aufweist, welche die Ausbildung einer turbulenten oder quasiturbulenten Grenzschicht aus dem fließfähigen, zu transportierenden Medium zwischen den Rohrwandung und dem Medienhauptstrom ermöglicht. Durch diese speziell strukturierte Oberfläche, die aus hoch und tief liegenden makroskopischen und/oder mikroskopischen Bereichen gebildet ist, kann die Geschwindigkeit des transportierenden Mediums beeinflußt und die Fähigkeit, die in dem transportierenden Medium enthaltenen Partikel oder an der Rohrwand befindlichen Partikel mitzureißen, gesteigert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rohrleitungselement für eine Rohrleitung zum Transportieren fließfähiger Medien gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Bei der Projektierung von Rohrleitungen und weiteren Leitungselementen, um ein fließfähiges Medium, wie beispielsweise Abwasser, Wasser, Öl und auch Gas, zu transportieren, war man bisher bestrebt, die Oberflächen an den Rohrinnenseiten möglichst glatt auszubilden, um dem strömenden Medium einen möglichst geringen Widerstand entgegenzusetzen. Dies galt sowohl für Leitungen, die drucklose Medien, wie beispielsweise Abwasser, transportieren als auch für Medien, die unter Druck stehen, wie beispielsweise Trinkwasser, Öl, Gas usw..

Nachteilig bei einer derartigen Ausbildung der Rohrinnenseite ist jedoch, daß sich insbesondere in Bereichen von Rohrkrümmungen, Abzweigungen, Verei­ nigungen, Reduzierungen und Rohrerweiterungen Materialien an der Rohrin­ nenwand anlagern können, die aus dem jeweils transportierten fließfähigen Medium stammen und im Laufe der Zeit auch zu einer Verengung des Strö­ mungsquerschnitts und zu einer Verminderung der Transportleistung der je­ weiligen Rohrleitung führen können.

Aus der DE 17 75 513 A1 ist eine flexible Rohrleitung bekannt, die eine asymmetrisch gewellte Rohrwandung besitzt. Konkret sind in Strömungsrich­ tung gesehen vordere Wellenflanken ausgebildet, die sich von ihrem Anstieg her von den hinteren Wellenflanken unterscheiden. Die Welltiefe und die Wellteilung des Metallrohrs soll allerdings der einer symmetrischen Wellung entsprechen. Umfangsseitig bzw. quer zur Fließrichtung ist die Wellung kon­ tinuierlich, d. h. nicht unterbrochen ausgeführt.

Die DE 196 10 206 A1 offenbart ein Rohrleitungs- und Verlegesystem für Zentralheizungen. Dort wird ein parallel-gewelltes Rohr vorgestellt, das aus Wellrohr-Endlos- bzw. -Meterware auf beliebige Länge ablängbar ist und ent­ sprechend verlegt werden kann. Die freien Enden des Wellrohrs können um­ gebördelt werden und gestatten eine Fixierung durch halbschalige Gewinde­ stücke. Weiterhin soll das Wellrohr innenseitig relativ kurze Wellenberge und relativ lange Wellentäler aufweisen. Beim Durchströmen des Rohres mit dem Wärmeübertragungsmedium soll sich hierdurch eine laminare Strömung in der lichten Weite ergeben, wobei die Wellenberge weitgehend mit Wirbeln ausge­ füllt sind. In den Spitzen der Wellenberge erfolgt damit praktisch kein Trans­ port des Mediums mit der Folge einer entsprechenden Abkühlung. Aus diesem Grund wiederum stellt sich an den Spitzen der Wellenberge nur ein relativ geringer Wärmeübergang ein. Im Bereich der langen Wellentäler ist der Wärmeübergang ebenfalls gering, da sich jeweils zwischen den Wellentälern und einer Kunststoffschlauch-Ummantelung ein Luftpolster befindet. Grundsätzlich sind die Wellenberge bzw. Wellentäler symmetrisch und in Um­ fangsrichtung kontinuierlich verlaufend gestaltet. Eine solche Konfiguration gestattet jedoch keine optimale Sedimentmitnahme bzw. es ergibt sich nur eine unzureichende Schleppwirkung.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterent­ wickeltes Rohrleitungselement für eine Rohrleitung zum Transportieren fließ­ fähiger Medien anzugeben, wobei eine solche Rohrleitung einen strömungs­ optimierten Transport eines fließfähigen Mediums gewährleistet und sowohl bei drucklosen Medien als auch bei unter Druck stehenden Medien Ablage­ rungen bzw. Sedimentrückstände vermieden werden.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt gemäß den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.

Erfindungsgemäß weist die Rohrinnenseite, welche mit dem fließfähigen Me­ dium in Berührung kommt, eine makro- und/oder mikroskopisch strukturierte Oberfläche auf, welche die Ausbildung einer turbulenten oder quasiturbulenten Grenzschicht aus dem fließfähigen, zu transportierenden Medium zwi­ schen der Rohrwandung und dem Medienhauptstrom ermöglicht.

Es hat sich gezeigt, daß sich bei einer speziell strukturierten Oberfläche ei­ ner Rohrinnenwand eine derartige Grenzschicht ausbildet, die bewirkt, daß der eigentliche Medientransport im Prinzip ohne unmittelbare direkte Berüh­ rung zwischen dem Mediumstrom und der unmittelbaren Rohrwandung er­ folgt. Durch diese Grenzschichtausbildung wird die Fließgeschwindigkeit des transportierten Mediums beeinflußt und die Fähigkeit, in dem Medium mitge­ führte Partikel mitzureißen, gesteigert (es erfolgt eine Erhöhung der Schleppwirkung). Es hat sich somit in überraschender Weise herausgestellt, daß bei speziell strukturierten Oberflächen die Neigung, daß Partikel an der Rohrinnenseite haften bleiben, stark reduziert ist.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die makroskopisch und/oder mikroskopisch strukturierte Oberfläche hoch und tief oder konkav-konvex liegende Bereiche aufweisen, die sich quer zur Fließrich­ tung ständig abwechseln. Dabei können die hoch und tief liegenden Bereiche sich vorzugsweise in einem Winkel von 1° bis 90° quer zur Fließrichtung ab­ wechseln.

Die hoch und tief liegenden Bereiche können linienförmig oder auch punkt­ förmig ausgebildet sein.

Ferner können die Übergänge zwischen den hoch und tief liegenden Berei­ chen unstetig, linear, kreisförmig, elliptisch, potentiell, exponentiell oder auch stufenförmig verlaufen.

Eine vorteilhafte Gestaltung besteht darin, daß die hoch und tief liegenden Bereiche linienförmige und punktförmige, einander überlagerte Strukturen aufweisen, wobei bevorzugt eine der Strukturen im makroskopischen Bereich die andere im mikroskopischen Bereich liegt oder beide im mikroskopischen Bereich liegen.

Versuche haben außerdem ergeben, daß eine wirksame Ausbildung der turbu­ lenten bzw. quasiturbulenten Grenzschicht von verschiedenen Faktoren ab­ hängt, wie beispielsweise der Beschaffenheit des in der Rohrleitung zu trans­ portierenden Mediums oder des Druckes und der Temperatur des Mediums.

Eine Ausführungsform nach der Erfindung besteht darin, daß speziell die hoch liegenden Bereiche aus quaderförmigen Erhebungen gebildet sind, wäh­ rend die tief liegenden Bereiche den Zwischenräumen entsprechen.

Eine alternative Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die hoch liegenden Bereiche aus Pyramiden oder Pyramidenstümpfen bestehen, wäh­ rend sich die tief liegenden Bereiche aus den Räumen zwischen den Pyrami­ den oder den Pyramidenstümpfen ergeben.

Bei dieser letzteren Ausführungsform können die Seitenflächen und die Sei­ tenkanten der Pyramiden bzw. der Pyramidenstümpfe zweckmäßigerweise konkav verlaufend ausgebildet sein.

Des weiteren können konkave oder konvexe Kugelsegmente, Kreiszylinder und Kreiskegel oder Kombinationen der genannten geometrischen Körper ausgebildet werden.

All diese möglichen verschiedenen Oberflächenstrukturen können entweder aus dem Material der Rohrleitung selbst gebildet sein oder durch ein von dem Rohrleitungsmaterial unabhängigen bzw. getrennten Material gebildet werden.

Im einzelnen ist die Erfindung ferner dadurch weiter ausgestaltet, daß die strukturierte Oberfläche in Form einer auf die Rohrinnenwand aufgebrachte Beschichtung realisiert ist, wobei die Beschichtung auch aus Folien oder Plat­ ten bestehen kann, die auf die Rohrinnenwand aufgebracht werden.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen sowie von Prinzipskizzen näher erläutert werden. Dabei sind zum besseren Verständnis die einzelnen Varianten der Oberflächenstrukturierung gegenüber der Rohrwanddicke vergrößert dargestellt worden. Auf den nachfolgenden Figuren wird folgendes dargestellt:

Fig. 1 eine unmaßstäbliche perspektivische Ansicht eines Rohrab­ schnitts gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung, bei der die hoch liegenden Bereiche durch quaderförmige Blöcke gebildet sind;

Fig. 2 eine unmaßstäbliche perspektivische Darstellung einer in eine Rohrleitung einbringbaren strukturierten Folie, die entspre­ chend der Ausführungsform nach Fig. 1 ausgebildet ist;

Fig. 3 eine unmaßstäbliche perspektivische Darstellung eines Rohrab­ schnitts gemäß einer alternativen Ausführungsform, bei der die höher liegenden Bereiche pyramidenförmig gestaltet sind;

Fig. 4 eine unmaßstäbliche perspektivische Ansicht einer rohrförmigen strukturierten Folie, die gemäß der Ausführungsform nach Fig. 3 an ihrer Innenwand ausgebildet ist; und

Fig. 5 eine unmaßstäbliche perspektivische Ansicht einer strukturierten Folie gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform nach der Erfindung, bei der die hoch liegenden Bereiche durch Pyra­ miden gebildet sind.

Eine Ausführungsform nach der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Der in Fig. 1 perspektivisch dargestellte Rohrabschnitt 1b weist eine Innenwand auf, die eine Vielzahl von quaderförmigen oder pyramidenstumpfförmigen Blöcken 9 aufweist, die durch Zwischenräume 10 voneinander getrennt sind. Die qua­ derförmigen oder pyramidenstumpfförmigen Blöcke 9 können in Umfangsrich­ tung jeweils gleich großen Abstand zueinander haben und sie sind in ver­ schiedenen Reihen in Umfangsrichtung verlaufend ausgebildet, derart, daß die quaderförmigen oder pyramidenstumpfförmigen Blöcke einer Reihe ge­ genüber den quaderförmigen oder pyramidenstumpfförmigen Blöcken einer benachbarten Reihe in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind, wobei auch andere geometrische Formen wie Kreiszylinder, Kugelsegmente o. ä. möglich sind.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form eines rohrförmigen strukturierten Folien- oder Platteneinsatzes 1c, der eine glatte Außenwand aufweist, jedoch eine Innenwandung besitzt, die ent­ sprechend der Ausführungsform nach Fig. 1 ausgebildet ist. Die Innenwand enthält somit z. B. quaderförmige oder pyramidenstumpfförmige Blöcke 9', welche durch Zwischenräume 10' voneinander getrennt sind. Die in Fig. 2 gezeigte rohrförmige strukturierte Folie kann in ein entsprechend bemesse­ nes Rohr mit einer glatten Innenwand eingesetzt und mit dem Rohr, bei­ spielsweise durch Kleben, verbunden werden.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung anhand eines Rohrabschnitts 1d mit einer speziell strukturierten Innenwand. Die Oberflächenstruktur der Innenwand umfaßt eine Vielzahl von beabstandeten pyramidenförmigen Er­ hebungen 11, wobei Zwischenräume 12 vorgesehen sind. Bei der gezeigten Ausführungsform ist eine Vielzahl von pyramidenförmigen Erhebungen 11 in mehreren nebeneinander in Umfangsrichtung verlaufenden Reihen angeord­ net, derart, daß die Pyramiden in einer in Umfangsrichtung verlaufenden Reihe gegenüber den Pyramiden in einer benachbarten in Umfangsrichtung verlaufenden Reihe versetzt sind.

Fig. 4 offenbart einen rohrförmigen Folienabschnitt 1e, der eine im wesentli­ chen glatte Außenfläche haben kann und der in ein entsprechend bemessenes Rohr einsetzbar ist und in diesem beispielsweise durch Kleben befestigt wer­ den kann.

Die Oberflächenstruktur der Innenwand des rohrförmigen Folienabschnitts 1e ist ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ausgebildet, das heißt es ist eine Vielzahl von pyramidenförmigen makroskopischen und/oder mikro­ skopischen Erhebungen 11' vorgesehen, die sich mit Zwischenräumen 12' abwechseln.

Fig. 5 zeigt schließlich eine alternative Gestaltung der Ausführungsform nach Fig. 3 bzw. Fig. 4. Hier ist ein rohrförmiger strukturierter Folienabschnitt mit 1f bezeichnet und besitzt eine im wesentlichen glatte Außen-Oberfläche.

Die Oberfläche der Innenwand besitzt beispielhaft wiederum eine Vielzahl von pyramidenförmigen Erhebungen 13, die durch Zwischenräume 15 vonein­ ander getrennt sind. Die pyramidenförmigen Erhebungen 13 sind auch bei dieser Ausführungsform in in Umfangsrichtung verlaufenden Reihen angeord­ net, wobei aber der Versatz der Pyramiden in Umfangsrichtung von einer Reihe zur nächstfolgenden nur geringfügig ist, so daß die pyramidenförmigen Erhebungen 13 in Längsrichtung des Rohres in einer weitläufigen Spiralform verlaufen. Diese etwa in Strömungsrichtung verlaufenden Pyramidenreihen sind mit 14a und 14b bezeichnet.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die gezeigten Ausführungs­ beispiele nur ein vergleichsweises typisches Spektrum möglicher weiterer Oberflächenstrukturen wiedergeben, wobei die Darstellung stark vergrößert ist.

Es besteht ergänzend die Möglichkeit, die Erhebungen kegelstumpfförmig, spitzdachförmig, zylinderförmig oder auch trapezförmig auszubilden. Auch sind Kombinationen der genannten Formen realisierbar.

Die erläuterten Ausführungsformen können sowohl aus dem Material der je­ weiligen Rohrleitung selbst bestehen, so daß sich einstückige Lösungen er­ geben, oder es ist eine Beschichtung oder der Einsatz einer entsprechend strukturierten Folie oder Platte möglich.

Claims (18)

1. Rohrleitungselement für eine Rohrleitung zum Transportieren fließfä­ higer Medien mit einer mindestens teilweise strukturierten Innen­ oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die makroskopisch und/oder mikroskopisch strukturierte Innen­ oberfläche aus in Umfangs- und Fließrichtung beabstandeten Erhe­ bungen von geometrischer Form besteht.

2. Rohrleitungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen aus mindestens einmal unterbrochenen, in Fließ­ richtung hintereinander liegenden Körpern bestehen, die quer zur Fließrichtung abwechselnd hoch und tief liegende oder konkav- konvex wechselnde Bereiche aufweisen.

3. Rohrleitungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch und tief liegenden Bereiche sich vorzugsweise in einem Winkel von 1° bis 90° quer zur Fließrichtung abwechseln.

4. Rohrleitungselement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch und tief liegenden Bereiche aus linienförmigen Körpern bestehen.

5. Rohrleitungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch und tief liegenden Bereiche aus mindestens einmal un­ terbrochenen linienförmigen Körpern gebildet werden, die fluchtend oder mehrfach versetzt angeordnet sind.

6. Rohrleitungselement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch und tief liegenden Bereiche sowohl linienförmig als auch punktförmig ausgebildet sind.

7. Rohrleitungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch und tief liegenden Bereiche linienförmige und punktförmige, einander überlagerte Strukturen aufweisen.

8. Rohrleitungselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Strukturen im makroskopischen Bereich und weitere Teile im mikroskopischen Bereich oder beide im mikroskopischen Be­ reich liegen.

9. Rohrleitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Innenoberfläche radial über den Innenumfang der Rohrwandung variiert.

10. Rohrleitungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch liegenden Bereiche aus quaderförmigen Blöcken (9; 9') gebildet sind, während die tief liegenden Bereiche die Block- Zwischenräume (9, 10; 9',10') sind.

11. Rohrleitungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch liegenden Bereiche aus Pyramiden (11; 11') oder Pyra­ midenstümpfen gebildet sind, während die tief liegenden Bereiche den Zwischenräumen (12; 12') entsprechen.

12. Rohrleitungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch liegenden Bereiche aus Kreiszylindern gebildet sind, während die tief liegenden Bereiche den Zwischenräumen entspre­ chen.

13. Rohrleitungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch liegenden Bereiche aus Kreiskegeln und/oder Kreiske­ gelstümpfen gebildet sind, während die tief liegenden Bereiche den Zwischenräumen entsprechen.

14. Rohrleitungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch oder tief liegenden Bereiche aus Kugelsegmenten gebil­ det sind.

15. Rohrleitungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Innenoberfläche aus dem Material der Rohrlei­ tung gebildet ist.

16. Rohrleitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Innenoberfläche durch ein Beschichtungsmate­ rial gebildet ist.

17. Rohrleitungselement nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine auf der Rohrinnenwand aufgebrachte Beschichtung, welche eine strukturierte Innenoberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 14 aufweist.

18. Rohrleitungselement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einer Folie oder Platte besteht, die auf die Rohrinnenwand aufgebracht ist.