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Flexible Rohrleitung zum Transport erwämter oder gekühlter Fluide
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer flexiblen Rol.rleitung zum Transport
erwärmter oder gekühlter Fluide aus einem ganz oder teilweise gewellten Rohr dünner
Wanddicke.
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In weiten Bereichen der Technik werden Rohre verwendet, deren Waiidung
durch regelmäßig wiederkehrende geometrische Formen gebildet wird. Solche Rohre
können flexibel oder Steif sein, um bestimmten Anforderuligen zu genügen. In dei
meisten Anwendungsfällen dienen diese Rohre zum Flüssigkeits-, Gas- oder Wärmetrarisport,
wobei heute neben kurzen, flexiblen Verbindungen, sog. Metallschläucherl, mittlerer
Länge fjlr den Wärmeaustausch und gewellte Rohre größerer Länge von mehreren hundert
Metern für Brauchwasser-, Abwasser-und Feniheiznetze eingesetzt werden. Diese sog.
Wellrohre könneii aufgrund ihrer Flexibilität auf Trommeln aufgewickelt und wie
ein elektrisches Kabel unmittelbar ins Erdreich verlegt werden. In den letzten Jahren
ist der Bedarf an solcben rillenrauhen Rohren rasch angestiegen, wobei man neben
den Eilifacilrohren auch häufig solche aus zwei oder mehreren konzentrischen Rohren
verweiidet, die durch geeigtiete Abst<,iidshalter voneinander getrennt sind.
Als Abstandshalter kann
beispielsweise eine Schaumstoffüllung verwendet
werden, das gilt insbesondere danìl, wenn ein solches aus koiizentrischeu Rohreii
bestehendes System zum Transport erwärmter Medien verwendet werdeii soll Werden
gewellte Rohre größerer Länge von Fluiden durchströmt, dann können oberllalb bestimmt
er Strömungsgeschwindigkeiten longitudinale Schwingungen im Rohr auftreten. Das
Auftreten solcher Schwingungen ist sowohl voii der Reynoldschen Zahl als auch von
der Art der Rohrberandung und der Rohrlänge abilängig. Die wellige Rohrberalldung,
glatte Rohre vollführen keine vergleichbaren longitudinalen Schwingunggen, bedingt
einen Strömungsmechanismus, der Strömungskräftte auf das schwinungsfählige Wellrohr
überträgt und es zu longitudinalen Schwingungen anregt. Diese Schwingungen bedeuten
für das Wellrohr eine zusätzliche dynamische Beanspruchung, die zur Schädigung oder
Zerstörung des Rohres führen kann.
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Durch die Erfindung werden diese Schwierigkeiten bei flexiblen Rohrleitungen
zum Transport erwärmter oder gekühlter Fluide aus einem ganz oder teilweise gewellten
Rohr dünner Wanddicke überwuiden. Gemäß der Erfindung ist das Verhältnis von Wellenabstand
T zu Wellentiefte t eines solchen Rohres T/t # 5.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß für ein gewell tes Rohr
sein Wellen abstand T und seine Wellentiefe t für ein Auftreten longitudinaler Schwingungen
charakteristisch sind. Der Verlauf der Stromlinieii in unmittelbarer Nahe der welligen
Rohrberandung wirkt sich insoweit auf die schwingungsanregenden Kräfte nachteilig
aus, als bei den üblichen aneinander gereihten Wellen sich zwischen den Wellenbergen
jeweils ein Wirbel ausbildet, der nahezu den gesamten zur
Verfügung
stehenden Zwischenraum ausfüllt und bei jeweils benachbarten Wellen an der stromabwärts
liegenden Wellenflanke einen Staupunkt auftreten läßt. Es gibt demnach am Rande
der eigentlichell Kernströmung im Rohrzeijtrum eine Verzweigungsstromlinie, die
einerseits den oberen Wellenberg umströmt und andererseits die äußere Beraiidung
eines ortsfesten Wirbelringes in den Wellenzwischenräumen bildet.
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In jeder Strömung bildet sich dann an einem vorhandenen Staupunkt
die größte in der Strömung vorkommende Strömungskraft aus. Geht maii in der Betrachtung
auf den bei einem solchen Rohr vorliegenden dreidimensionalen Raum aus, dann handelt
es sich in Wirklichkeit nicht um einen Staupunkt sonder vielmehr um eine Staulinie
bzw. einen Stauring, der bei einem Abstand a vom Rol.raußendurchmesser an jeder
Wellenflanke ein Impulsmoment wirksam werden läßt. Dieses Impulsmoment ist gleich
dem Produkt aus dem Hebelarm a, dem Massendurchfluß sowie der Geschwindigkeit. Entsprechend
der Federsteifigkeit des Rohres wird die Wellenflanke nunmehr verformt, und somit
ist ein Anregungsmechanismus gegeben, der bei hinreichend hoher Strömungsgeschwindigkeit
longitudinale Schwingungen anregt. Es stellt sich hierbei kein stationärer und schwingungsfreier
Zustand ein, weil die Massenkräfte, abhängig von dc/dt, wobei dc die Geschwindigkeits
und dt die Zeitänderung bedeutet, über die statische Gleichgewichtslage hinaus die
Wellenflanke elastisch verformen können und so ein Rückstellmoment gegen das auftretende
Impulsmoment wirksam wird. Dieser Anregungsmechanismus setzt bereits im Anlaufvorgang
der Strömung ein, gemäß der Eulersciien Bewegungsdifferentialgleichung dc = sc/s
ds + ic/it dt, wobei der erste Term die Änderung der Geschwindigkeit mit dem Ort
(Rohreinlaufströmung) und der zweite die Änderung der Geschwindigkeit mit der Zeit
(Rohranlaufströmung) bedeuten
Wird nun gemäß der Erfindung das Verhältnis
von Wellenabstand zu Wellentiefe des Wellrohres mindestens gleich 5 gewählt, dann
erreicht der mit zuneimendem Wellenabstand an der Wellenkontur entlang zum Außendurchmesser
wandernde Stauring die eigentliche äußere Rolirberandung, d. h.
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der Hebelarm a geht gegen 0, ein Impulsmoment zur Anregung einer Schwingung
kann also nicht mehr wirksam werden.
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Vorteilhaft wird man in Weiterführung der Erfindung das Verhältnis
von Wellenabstand zu Wellentiefe Tt größer oder gleich 6 wählen, d. h. eine Wellenkontur,
bei der der Stauring auf die äußere Rohrberanduiig trifft. So ausgebildete Rohrleitungen
aus einem Metallrohr dünner Wanddicke und großer Länge können auch dann nicht Anlaß
zu Schwiiigungen geben, wenn man zu höheren Strömungsgeschwindigkeiten übergeht.
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Die Erfindung ist auf die unterschiedlichsten Rohrausfübrungen anwendbar,
beispielsweise auch auf solche Rohre, die zur Übertragung von Wasser oder Wasserdampf
verwendet werden und für Fernheizzwecke eingesetzt werden sollen.
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Diese Rohre bestehen dann in der Regel aus einem inneren und einem
konzentrisch hierzu angeordneten äußeren Rohr, wobei beide Rohre durch eine thermische
Isolierung voneinaiider getrennt sind. Besondere Vorteile bringt die vorliegende
Erfindung auch dann, wenn die Rohrleitung aus einem zum Rohr geformten längsnahtverschweißten
gewellten Metallband dünner Wanddicke besteht, da durch gegebenenfalls auftretende
Schwingungen eine Beschädigung der Schweißnaht nicht zu befürchten ist.
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Die Wellung der verweiideten Rohre kamin welldelförmig bzw.
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schraubenlinienförmig verlaufen, man kann aber auch eine Parall elwellung
verweiid en. Werden scliraub eiil inienförmig
gewellte Rohre verwendet
und sollen diese Rohre für Wärmetauscherzwecke eingesetzt werden, dann wird maii
vorteilhaft zur Erzielung optimaler Bedingungen den Wellensteigungswint kel zu 5
bis 20°, die Welleijtiefe d zu 0,03 bis 0,3 und die t d Welligkeit T kleiner oder
gleich 0,2 wählen.
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Die Erfiiidung sei aii Hand der il der Figur für unterschiedliche
Verhältnisse t/T dargestellten Strömungsbilder näher erläutert.
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Die Strbmuiig in Wellrohre bildet sich, wie am Beispiel halbzylindrischer
Wellen gemäß der Figur dargestellt, aus.
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Bei eng aneiiiander gereihten Wellen t (t/T = 0,33) bildet sich zwischen
ihiien jeweils nur eiii Wirbel aus, der liahezu den gesamten zur Verfügung stehenden
Zwischenraum 2 ausfüllt. Bezeichnet mali den Radius der iialbzylindrischen Welle
mit t = i, so kann maii bei ungefähr t = 0,75 einen Stauriilg beobachten. Es gibt
demnach, ausgehend von der Kernströmuiig 3, eiiie Verzweigungsstromlinie If, die
eillerseits den oberen Zylinderteil umströmt (4a) und anderseits die äußere Berandung
eines ortsfesten Wirbels zwisciieii den Halbzylillderll bildet (4b). Der erwähnte
Stauring wandert mit zunehmendem Wellenabstand an der Zylinderkontur entlang zum
Außendurchmesser hin. So tritt z. B. bei T 6 . t kein Stauring ii: der beschriebenen
Weise mehr auf.
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In jeder Strömung bildet sich an einem vorhandenen Staupunkt des Wellenberges
die größte in der Strömung vorkommende Strömungskraft aus. Wenn in einer Strömung
die Gesciiwiidig keit an der Wellenflanke des Wellenberges 1 auf Null verzögert
wird, so entsteht an dieser Stelle eiiie Druckerhöhung, indem die gesamte örtliche
kinetische Energie In Druck umgesetzt wird. Je nach dem Abstand dieses Staupunktes
am Wellenberg zum Außendurchmesser des Wellenrohres greift
an der
Wellenflanke ein Impulsmomeiit an, das entsprechend der Federsteifigkeit des Rohres
die Wellen flanke verformt uiid damit einen Alireguiigsmechaiiismus für eine e Schwingung
gibt.
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t Wählt man jedoch, wie an dem Beispiel T = 0,12 angedeutet, das
Verhältnis von Welleiiabstand T zu Wellentiefe t etwa 6, dann ist wegen des fehlerden
Hebelarmes für das durch den Staupunkt hervorgerufene Impulsmoment keine Anregung
zur Schwingung meiir möglich, so daß ein solciies Rohr auch bei erhöhten Strömu1lgsgeschlfilidigkeitel
nicht beschädigt oder zerstört werden kann.