DE102011013572A1

DE102011013572A1 - Durchflussoptimierte Fluidleitung

Info

Publication number: DE102011013572A1
Application number: DE102011013572A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bauer
Original assignee: Norma Germany GmbH
Current assignee: Norma Germany GmbH
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2012-09-13
Also published as: CN102679046A; JP5662364B2; CN102679046B; KR101429191B1; JP2012189213A; RU2011154004A; RU2493445C2; US20120227853A1; KR20120103449A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluidleitung (1) mit einer zylindrischen Innenfläche (2). Zur Strömungsoptimierung sind in der Innenfläche (2) der Fluidleitung (1) gleichmäßig verteilte Ausnehmungen (3) in Form von Kugelausschnitten ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidleitung mit einer zylindrischen Innenfläche.
Fluidleitungen dienen in vielen Anwendungsbereichen zur Leitung von Fluiden, insbesondere von Flüssigkeiten. Dabei treten durch Reibung und Verwirbelungen Verluste auf, die zu einer Verschlechterung eines Gesamtwirkungsgrades einer Anlage führen können. Insbesondere bei Glattrohren und in den Glattbereichen von teilgewellten Rohren ist der real nutzbare Strömungsquerschnitt häufig deutlich kleiner als der freie Innenquerschnitt in der Fluidleitung, da sich eine quasistationäre Grenzschicht im Randbereich ausbildet.
Es ist nun bekannt, Fluidleitungen mit besonders strömungsarmen Beschichtungen zu versehen. Dies ist allerdings relativ aufwendig und verteuert damit einen Herstellungsprozess. Auch sind derartige Beschichtungen nicht gegen alle Fluide resistent, so dass die Einsatzmöglichkeiten beschränkt sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Strömungsverluste gering zu halten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Fluidleitung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass in der Innenfläche der Fluidleitung gleichmäßig verteilte Ausnehmungen in Form von Kugelausschnitten ausgebildet sind.
Durch diese Ausnehmungen wird die Ausbildung einer quasistationären Randschicht des durch die Fluidleitung strömenden Fluids verhindert. Vielmehr werden gezielt Verwirbelungen eingebracht. Dadurch verringern sich ein Strömungswiderstand und damit auftretende Strömungsverluste. Der reale Strömungsquerschnitt nähert sich dann dem tatsächlichen freien Innenquerschnitt an. Insgesamt ergibt sich so eine verlustärmere Übertragung. Die Innenfläche kann als kreiszylindrische Innenfläche ausgebildet sein, also einen kreisförmigen Querschnitt haben. Aber auch andere Ausbildungen, beispielsweise mit einem polygonalen oder elliptischen Querschnitt, sind möglich.
Vorzugsweise weisen die Ausnehmungen einen gleichen Krümmungsradius auf. Die Ausnehmungen sind also alle gleich ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine recht gleichförmige Strömung.
Bevorzugterweise liegen radiale Mittelpunkte der Ausnehmungen auf einer Zylinderfläche, deren Symmetrieachse mit einer Symmetrieachse der Innenfläche zusammenfällt, wobei eine Summe von Krümmungsradius und einem Radius der Zylinderfläche größer ist als ein Innenradius der Innenfläche. Die Zylinderfläche ist dabei eine fiktive Fläche, die parallel zur Innenfläche ausgebildet ist. Die Ausnehmungen sind durch ein derartiges Vorgehen alle gleich ausgebildet, also von gleicher Tiefe und mit gleichem Radius. Eine derartig gleichförmige Ausbildung stellt eine Vereinfachung für die Herstellung der Fluidleitung dar.
Dabei ist besonders bevorzugt, dass der Radius der Zylinderfläche mehr als 50% des Innenradius beträgt, wobei der Radius insbesondere weniger als 60% des Innenradius beträgt. Durch den Radius der Zylinderfläche wird die Tiefe der Ausnehmungen mit bestimmt. Durch einen Radius, der zwischen 50% und 60% des Innenradius, insbesondere 55% des Innenradius beträgt, wird dabei die Ausbildung relativ flacher Ausnehmungen sichergestellt. Dadurch wird ein Strömungsquerschnitt optimiert.
Vorteilhafterweise beträgt der Krümmungsradius mehr als 50% des Innenradius, wobei der Krümmungsradius insbesondere weniger als 55% des Innenradius beträgt. Der Krümmungsradius der Ausnehmungen ist also relativ groß. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ausnehmungen relativ flach von der Innenfläche ausgehen, so dass dort größere Kanten vermieden werden, die wiederum zu Strömungsverlusten führen würden.
Vorzugsweise sind an einer gleichen axialen Position vier bis acht Ausnehmungen, insbesondere sechs Ausnehmungen, in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt nebeneinander angeordnet. Eine derartige Anzahl an Ausnehmungen in Umfangsrichtung ist bereits ausreichend, um das Ausbilden einer stillstehenden Grenzschicht zu verhindert.
Dabei ist besonders bevorzugt, dass axial benachbarte Ausnehmungen in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind. Axial benachbarte Ausnehmungen sind also sozusagen auf Lücke zueinander angeordnet. Dadurch können relativ viele Ausnehmungen je Flächeneinheit untergebracht werden. Auch ergibt sich dadurch eine sehr gleichmäßige Verteilung der Ausnehmungen, was wiederum den Strömungsverlauf optimiert.
Vorzugsweise entspricht ein Abstand in Axialrichtung zwischen den Mittelpunkten benachbarter Ausnehmungen dem Krümmungsradius ±10%. Dadurch wird sichergestellt, dass zwischen den einzelnen Ausnehmungen noch ausreichend glatte Innenfläche vorhanden ist, die zur eigentlichen Führung des Fluids dient. Gleichzeitig wird dafür gesorgt, dass ein Material der Fluidleitung nicht unnötig ausgedünnt wird, dass also die mechanische Stabilität der Fluidleitung aufrechterhalten bleibt.
Vorzugsweise ist die Fluidleitung als extrudiertes Kunststoffrohr, insbesondere als extrudiertes Polyamidrohr ausgebildet. Eine derartige Fluidleitung weist eine hohe chemische Beständigkeit auf und ist gleichzeitig relativ stabil. Dabei lässt sie sich sehr kostengünstig fertigen. Auch das Einbringen der Ausnehmungen stellt beim Extrusionsverfahren keine Schwierigkeit dar.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
1 einen Ausschnitt einer Fluidleitung und
2 den Ausschnitt aus 1 in geschnittener Seitenansicht.
In 1 ist ein Teilabschnitt einer Fluidleitung 1 dargestellt, wobei die Fluidleitung 1 längs aufgeschnitten ist, damit einen Innenfläche 2 der Fluidleitung 1 zu sehen ist. In der Innenfläche 2 sind Ausnehmungen 3 ausgebildet, wobei die Ausnehmungen 3 gleichmäßig in der Innenfläche 2 verteilt sind. Die Innenfläche 2 ist im Übrigen mit einer glatten Oberfläche versehen.
Die Ausnehmungen 3 stellen teilkugelförmige Einformungen in eine Wandung der Fluidleitung 1 dar. Dabei sind Ausnehmungen 3, die an einer gleichen axialen Position angeordnet sind, auf einer Kreisbahn und in Umfangsrichtung mit gleichen Abständen zueinander angeordnet. Axial benachbarte Ausnehmungen 3 sind versetzt zueinander angeordnet, so dass benachbarte Ausnehmungen 3 jeweils auf Lücke zueinander positioniert sind.
Die Innenfläche 2 entspricht damit sozusagen einer Oberfläche eines Golfballs. Eine derartige Oberfläche verringert die Ausbildung einer quasistationären Grenzschicht. Dadurch ergibt sich eine strömungsoptimierte Innenfläche mit einem geringen Strömungswiderstand und damit geringen Strömungsverlusten.
In 2 ist die Fluidleitung 1 aus 1 im Querschnitt dargestellt. Ein Innenquerschnitt mit einem Innenradius R ist im Wesentlichen kreisförmig. Die Kreisförmigkeit wird nur durch die Ausnehmungen 3 unterbrochen. Im Übrigen ist die Innenfläche 2 glatt ausgebildet. Die Ausnehmungen 3 weisen einen Krümmungsradius R1 auf, der etwa 55% des Innenradius R entspricht. Mittelpunkte M der Ausnehmungen 3, also einer fiktiven Kugel, die die Ausnehmungen 3 bildet, liegen auf einer fiktiven Zylinderfläche 5. Die Zylinderfläche 5 verläuft parallel zur Innenfläche 2. Die Zylinderfläche 5 und die Innenfläche 2 weisen also eine identische Symmetrieachse 6 auf, die bei der Darstellung in 2 in die Zeichenebene hinein verläuft. Ein Radius R2 der Zylinderfläche 5 ist dabei größer als 50% des Innenradius R. In diesem Fall beträgt der Radius R2 der Zylinderfläche 5 55% des Innenradius R.
Bei diesem Beispiel sind insgesamt sechs Ausnehmungen 3 vorgesehen, die gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt sind. Ein Winkel α zwischen zwei Zentren 6, 7 in Radialrichtung benachbarter Ausnehmungen 3 beträgt daher bei diesem Beispiel 60°.
Wie aus 1 zu erkennen ist, ist ein axialer Abstand d zwischen benachbarten Mittelpunkten M kleiner als ein Durchmesser der Ausnehmungen 3. Die Ausnehmungen 3 ragen daher jeweils in Zwischenräume benachbarter Ausnehmungen hinein. Im vorliegenden Beispiel beträgt der Abstand etwas mehr als der Krümmungsradius R1.
Die Summe von Krümmungsradius R1 und dem Radius R2 der Zylinderfläche 5 ist größer als der Innenradius R. Dabei können der Krümmungsradius R1 und der Radius R2 der Zylinderfläche 5 gleich groß sein, es kann aber auch vorteilhaft sein, den Radius R2 der Zylinderfläche 5 etwas größer zu wählen, so dass dann sehr flache Ausnehmungen 3 erhalten werden.
Die Erfindung eignet sich für Fluidleitungen mit unterschiedlichen Durchmessern, wobei ein Einsatz bei Fluidleitungen mit einem Durchmesser zwischen 5 und 30 mm, insbesondere zwischen 10 und 20 mm, bevorzugt ist.
Gegenüber glattwandigen Rohren, also Fluidleitungen, die einen kreisförmigen Innenquerschnitt mit einer glatten Innenfläche aufweisen, ergibt sich eine Reduzierung des Strömungswiderstandes und damit von Strömungsverlusten durch das Vorsehen der Ausnehmungen, die alle gleich ausgebildet sind und gleichmäßig über die Innenfläche der Fluidleitung verteilt sind. Dadurch wird eine sich ausbildende Grenzschicht zwischen dem strömenden Fluid, insbesondere einer Flüssigkeit, und der Innenfläche der Fluidleitung verringert, wodurch der reale Strömungsquerschnitt sich dem tatsächlichen Querschnitt annähert. Insgesamt wird so eine Fluidleitung mit geringeren Strömungsverlusten erhalten.
Im Beispiel ist nur eine Fluidleitung mit kreisförmigem Querschnitt gezeigt. Andere Ausbildungen, beispielsweise mit einem mehreckigen oder ovalen Querschnitt, sind ebenfalls möglich. Die Länge eines Radius entspricht dann einem Abstand zur Symmetrieachse. Das Wort „Radius” ist also nicht nur im engen Sinne zu verstehen, sondern allgemeiner als Definition eines Abstandes zur Symmetrieachse.

Claims

Fluidleitung mit einer zylindrischen Innenfläche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Innenfläche (2) der Fluidleitung (1) gleichmäßig verteilte Ausnehmungen (3) in Form von Kugelausschnitten ausgebildet sind.
Fluidleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (3) einen gleichen Krümmungsradius (R1) aufweisen.
Fluidleitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein radialer Mittelpunkt (M) der Ausnehmungen (3) auf einer Zylinderfläche (5) liegt, deren Symmetrieachse (6) mit einer Symmetrieachse der Innenfläche (2) zusammenfällt, wobei eine Summe von Krümmungsradius (R1) und einem Radius (R2) der Zylinderfläche (5) größer ist als ein Innenradius (R) der Innenfläche (2).
Fluidleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (R2) der Zylinderfläche (5) mehr als 50% des Innenradius (R) beträgt, wobei der Radius (R2) insbesondere weniger als 60% des Innenradius (R) beträgt.
Fluidleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius (R1) mehr als 50% des Innenradius (R) beträgt, wobei der Krümmungsradius (R1) insbesondere weniger als 55% des Innenradius (R) beträgt.
Fluidleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einer gleichen axialen Position vier bis acht Ausnehmungen (3), insbesondere sechs Ausnehmungen (3), in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Fluidleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass axial benachbarte Ausnehmungen (3) in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind.
Fluidleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (d) in Axialrichtung zwischen den Mittelpunkten benachbarter Ausnehmungen (3) dem Krümmungsradius ±10% entspricht.
Fluidleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie als extrudiertes Kunststoffrohr, insbesondere als extrudiertes Polyamidrohr ausgebildet ist.