WO2009127192A1 - Strömungsoptimierter rohrbogen - Google Patents

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WO2009127192A1
WO2009127192A1 PCT/DE2009/000479 DE2009000479W WO2009127192A1 WO 2009127192 A1 WO2009127192 A1 WO 2009127192A1 DE 2009000479 W DE2009000479 W DE 2009000479W WO 2009127192 A1 WO2009127192 A1 WO 2009127192A1
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wall
pipe
curvature
bend
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Wolf-Christoph Friebel
Hans-Joachim Naber
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Naber Holding GmbH and Co KG
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    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L43/00—Bends; Siphons
    • F16L43/001—Bends; Siphons made of metal
    • F16L43/003—Bends; Siphons made of metal having a rectangular cross-section
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/02—Influencing flow of fluids in pipes or conduits
    • F15D1/04—Arrangements of guide vanes in pipe elbows or duct bends; Construction of pipe conduit elements for elbows with respect to flow, e.g. for reducing losses of flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F13/00—Details common to, or for air-conditioning, air-humidification, ventilation or use of air currents for screening
    • F24F13/02—Ducting arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F13/00—Details common to, or for air-conditioning, air-humidification, ventilation or use of air currents for screening
    • F24F13/08—Air-flow control members, e.g. louvres, grilles, flaps or guide plates
    • F24F13/081—Air-flow control members, e.g. louvres, grilles, flaps or guide plates for guiding air around a curve

Definitions

  • the invention relates to a pipe bend for fluid channels with a first wall of varying curvature, with a second wall of varying curvature and with a varying cross-sectional area, wherein the curvatures of the first wall and the second wall are chosen such and substantially without fixed symmetry to each other that in Operation results in a minimal pressure loss between a pipe bend inlet and a pipe bend outlet.
  • Pipe bends known in the prior art generally have a pipe wall arranged parallel or symmetrically about an axis.
  • Such curved Rohrbogen- geniata usually have the disadvantage that the air flow is greatly disturbed by the abrupt change in direction and this thereby dissolves, for example, from the pipe wall, which in the following a transition from laminar to turbulent or at least teilurbulenter flow justified. Vortex, cross flow and wall friction promote the formation of pipe bend losses.
  • the abrupt change of current direction in the pipe elbow element is always accompanied by increased eddies and cross flows, which can be annoying depending on the application.
  • DE 195 42 175 A1 discloses a curved connector and method of making the same, wherein the connector has a substantially constant cross-sectional area along its length and wherein the connector has a curvature described between the ends by a function that is at least a maximum at a point or in a section and the always parallel outer walls of the connector imposes a course of varying radius with respect to a given reference point.
  • the invention is therefore based on the object to provide a pipe bend, which is compared to the known from the prior art pipe bends, in particular with respect to the inevitably resulting between pipe bend entrance and pipe bend output pressure loss optimized.
  • Pipe bends according to the invention thus have the feature, with regard to the expected fluid velocity profile inside the pipe bend, that the initially provided enlargement of the pipe bend cross section exposes the fluid stream introduced into the pipe bend inlet to a reduced pressure gradient, thereby reducing its velocity.
  • it is now possible to continuously redirect the slowed volume flow by specifying the pipe bend walls with curves of increased radius in order to initiate the reduction of the pipe bend cross-section as it approaches the target flow direction, for example until the pipe bend entry cross-section and the pipe bend exit cross-line match.
  • a pipe bend according to the invention In comparison to many unfavorable pipe bends known from the prior art with very small to vanishing radii of curvature of a first pipe bend wall, a pipe bend according to the invention always has pipe bend radii different from zero. Due to the already described succession of enlargement and reduction of the pipe bend cross-section pipe bends invention at least with respect to one of the two Rohrbo genudge on at least once reversing direction of curvature. According to the invention, the reversal of the direction of curvature may be restricted to one of the two pipe bend walls, or both may apply.
  • first wall and second wall have a curvature of opposite direction. It can thus be realized, depending on the embodiment of the present invention, that opposing portions of the first and second walls produce an enlargement of the pipe bend cross-section by having an opposite curvature or in that opposite portions of the first and second walls have the same direction of curvature However, these are chosen so different that the pipe arc cross section effectively increases.
  • the present invention thus discloses embodiments of pipe elbows which basically contain all features in order to realize a pipe bend with a predetermined input and output cross-section which can be used in practice and optimized in its flow behavior.
  • the Rohrbogenein- gang and pipe bend outlet defined pipe arc cross-sectional areas are arranged perpendicular to each other.
  • a pipe bend according to the invention may furthermore have either a sleeve adapted to the existing pipe system for receiving a pipe either at its inlet or its outlet or at both.
  • an additional reduction of the pipe bend cross section in the flow direction precedes.
  • Such an additional reduction of the pipe bend cross-section can be achieved, for example, in that one pipe bend wall is only slightly curved and the other has a more pronounced curvature in the direction of the only insignificantly curved wall.
  • This can be realized, for example, in that at least one of the first and second walls reverses the direction of curvature once more, that is to say in total at least twice.
  • such a pipe bend additionally has at least one rigid fluid guide element inside, wherein the at least one fluid guide element, if possible, is arranged at least parallel to one of the first wall and second wall.
  • inventive pipe bends have been found to be particularly effective when they are realized in the form of flat channels, wherein especially in these, but generally also in the previously described pipe bends, the variation of the Rohrbogen gengenqueritess simulation while maintaining a dimension of Rohrbogenqueritessflä- is reached.
  • this is the pipe bend height, which is dimensioned along the axis which runs in the plane of the curved pipe bend walls.
  • FIG. 1 shows a pipe bend in plan view
  • FIG. 2 shows a perspective view of a pipe bend
  • FIG. 3 shows a perspective view of a pipe bend with a square cross section
  • FIG. 4 shows a comparison of the symmetry between a pipe bend according to the invention and a conventional pipe bend
  • FIG. 5 shows shapes of seven different optimization stages of a pipe bend according to the invention compared to a conventional pipe bend
  • FIG. 6 shows an exemplary illustration of the achievable pressure loss reduction
  • FIG. 7 shows a comparison of the flow profiles in conventional pipe bends according to the invention.
  • FIG. 1 shows a top view of a pipe bend 1 according to the invention, which has a first wall 2, a second wall 3, a pipe bend inlet 4, a pipe bend outlet 5, and a sleeve 6 and a pipe bend vertex 7 at both pipe bend ends having. Further, four pipe bend dimensions "a”, “b”, “c” and “d” are shown indicating a dimension of the pipe bend 1 in the drawing plane, which are readily considered the spacing of the first wall 2 and second wall 3 can. Since pipe bends according to the invention have a preferred direction with respect to the flow direction of the introduced fluid in order to achieve the best possible flow optimization, two arrows in the vicinity of the pipe bend entrance 4 indicate the flow direction which makes sense according to the invention.
  • pipe bend entrance 4 and pipe bend exit 5 in conjunction with the corresponding reference numerals in the figure also define a clear flow direction.
  • the pipe bend 1 disclosed therein represents a flow-optimized replacement for conventional 90 ° pipe bends, for which reason the cross-sectional areas defined by the pipe bend entrance 4 and pipe bend exit 5 or the connected sockets 6 expediently stand perpendicular to one another. which is usually a necessary requirement to integrate pipe bends 1 according to the invention into existing piping systems.
  • the curvature of the first wall 2 has a turning point and accordingly reverses its curvature direction, during which the second wall 3 with further course in the flow direction has a more and more pronounced curvature in the direction of the curvature of the first wall 2, wherein the curvature of the second wall 3 has a radius of curvature which is chosen in relation to the radius of the first wall such that the spacing of the first wall 2 of the second wall 3 in the area of the actual volume flow deflection more and more expands, and achieved, for example, at the location shown a spacing "c".
  • the deflection of the volume flow is associated with the fact that at the same time widens the pipe bend cross-section, which in turn lowers the flow velocity due to the reduced pressure gradient, with the result that the slowed flow rate in connection tion to the extent dictated by the pipe bend walls 2, 3 to a lesser extent to the formation of vortices and cross flows, and in addition also additional pressure drops causing wall friction is minimized.
  • the pipe bend profile is chosen such that with decreasing pipe curvature, ie in the areas where the flow deflection is more or less completed, the first pipe bend wall 2 and the second pipe bend wall 3 up to approximate a spacing "d", wherein without restriction of generality, the cross-sectional area at the pipe bend entrance 4 with the cross-sectional area at the pipe bend outlet 5 may coincide, if intended, the pipe bend 1 according to the invention, for example by means of the sleeves 6 at both ends with a pipe of equivalent dimensions in combination bring to.
  • the curvature of the first tube sheet wall 2 next to the first reversal point approximately at the level of the spacing "b" may have a second, less pronounced turning point in the region between the spacing "c” and the spacing "d".
  • the curvature of the second pipe bend wall 3 has a single point of reversal between the spacing "c” and the spacing "d”.
  • Figure 2 shows a perspective view of a pipe bend 1 according to the invention, wherein this under constant maintenance of the drawn dimension "h", z. B. while maintaining the pipe bend height, has been realized. It is thus clear that in such an embodiment, the pipe arc cross-sectional enlargement according to the invention for slowing down the volume flow has been implemented exclusively by varying the spacing of the first pipe bend wall 2 and the second pipe bend wall 3.
  • FIG. 3 shows a pipe bend 1 according to the invention with a square cross-section.
  • the pipe bend 1 shown here shows that even taking into account slight modifications of the pipe bends 1 shown in Figures 1 and 2, but maintaining all erfmdungsrele- vanten features, the intended optimized flow behavior can be achieved. Also in this pipe bend 1 it is visible how the spacing between the first pipe bend wall 2 and the second pipe bend wall 3 in the vicinity of the pipe bend entrance 4 initially widens in the direction of the second pipe bend wall 3 and then collapses again. is led, but with a slightly modified leadership of the first wall 2 and second wall 3 has been selected. Nevertheless, this embodiment has the already known from Figures 1 and 2 substantially gooseneck-shaped course. This is particularly pronounced in that the pipe bend vertex 7 of the second wall 3 is above the end position of the second wall 3 in the region of the pipe bend exit 5. For conventional 90 ° pipe bends there is generally no designated pipe bend vertex.
  • FIG. 4 shows a pipe bend 1 according to the invention in cross-section, wherein the deviations from the course of a conventional pipe bend are shown.
  • a conventional pipe bend which has a cross section of about 89 • 222 mm 2 and at a designated location on the first wall 2 a kink with radius 0 mm, so that essentially the two separated by the kink portions of the first Pipe wall 2 perpendicular to each other.
  • the exemplary optimization was carried out assuming a volume flow of 300 m 3 / h. It can be seen that even comparatively small deviations from the original form of a conventional pipe bend, as described above, enable the realization of an inventively optimized pipe bend 1.
  • FIG. 5 shows a stepwise optimization of a pipe bend according to the invention, starting from a pipe bend with a first radius of 0 mm, designated "0" in the figure. It is again visible that even slight deviations from the original form, with the aim to reduce the pressure loss between pipe bend entrance and pipe bend exit, cause an optimized pipe bend has an at least partially recognizable gooseneck-shaped course of first and second wall. This is particularly pronounced in the optimization level "4". It can also be seen in many of the Optmimtechnikstressn shown here, as the course already shown in Figure 1 for an optimal pipe bend 1 can be recovered from the first wall 2 and second wall 3 at least qualitatively, the quantitative characteristics of the decisive features sometimes varies greatly.
  • FIG. 6 shows the quantitatively achievable pressure loss reduction of the embodiments shown in FIG. Quantitatively it should first be mentioned that between the conventional pipe bend "0" and the optimal pipe bend "7” is a pressure drop reduction of 73%. When looking at the individual measured values, it becomes apparent that the reduction in pressure loss realized between the individual optimization stages is broken only by pipe bend "4", whereby this at least pronounces the sequence according to the invention of widening the spacing of first pipe bend wall and second pipe bend wall and approximating the spacing of first and second having second pipe bend wall.
  • Figure 7 shows the simulated flow behavior of a conventional pipe bend "0" compared to an optimized pipe bend "8". It can be seen that the conventional pipe bend with radius 0 mm of the second wall in the pipe bend area behind the volumetric flow deflection shows a pronounced return flow area and the resulting vortex formation. However, since the net volume flow must be maintained, the formation of such remindström capablee causes the remaining pipe arc cross-sectional area is penetrated by a high-density volume flow and at high speeds. In comparison, the inventively optimized pipe bend "7” shows a comparatively homogeneous flow profile, which points to laminar flow, which suppresses remindström is sheds, thus reducing wall friction and thus the total pressure loss between pipe bend entrance and pipe bend output is minimized.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen strömungsoptimierten Rohrbogen (1) für Fluidkanäle mit einer ersten Wand (2) variierender Krümmung, mit einer zweiten Wand (3) variierender Krümmung und mit einer variierenden Querschnittsfläche, wobei die Krümmung der ersten Wand (2) und die Krümmung der zweiten Wand (3) derart und im wesentlichen ohne feste Symmetrie zueinander gewählt sind, daß sich im Betrieb ein minimaler Druckverlust zwischen dem Rohrbogeneingang (4) und dem Rohrbogenausgang (5) ergibt, wobei die erste Wand (2) und die zweite Wand (3) durch ihren relativen Verlauf zueinander in Strömungsrichtung nach einer Vergrößerung der Rohrbogenquerschnittsfläche im weiteren Verlauf eine Verringerung der Rohrbogenquerschnittsfläche vorgeben. Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform sind die erfindungsgemäßen Rohrbögen derart dimensioniert, daß sie in ein vorhandenes, unter Verwendung herkömmlicher Rohrbögen realisiertes Rohrsystem integriert werden können.

Description

Strömungsoptimierter Rohrbogen
Die Erfindung betrifft einen Rohrbogen für Fluidkanäle mit einer ersten Wand variierender Krümmung, mit einer zweiten Wand variierender Krümmung und mit einer variierenden Querschnittsfläche, wobei die Krümmungen der ersten Wand und der zweiten Wand derart und im wesentlichen ohne feste Symmetrie zueinander gewählt sind, daß sich im Betrieb ein minimaler Druckverlust zwischen einem Rohrbogeneingang und einem Rohrbogenausgang ergibt.
Nach dem Stand der Technik bekannte Rohrbögen weisen in der Regel eine parallel oder symmetrisch um eine Achse angeordnete Rohrbewandung auf. Derartige gekrümmte Rohrbo- genelemente haben meistens den Nachteil, daß der Luftstrom durch die abrupte Richtungsänderung stark gestört wird und dieser sich dadurch zum Beispiel von der Rohrwand löst, was im folgenden einen Übergang von laminarer zu turbulenter oder zumindest teilturbulenter Strömung begründet. Wirbel, Querströmung und Wandreibung fördern die Entstehung von Rohrbogenverlusten. Neben der daraus resultierenden nicht unerheblichen Energiedissipation geht die abrupte Stromrichtungsänderung im Rohrbogenelement durch die entstehenden Wirbel und Querströmungen auch stets mit einer erhöhten Geräuschentwicklung einher, was je nach Anwendung als störend empfunden werden kann.
Untersuchungen haben ergeben, daß es bei herkömmlichen Rohrbögen mit kleinen Querschnitten insbesondere in Bereichen in Strömungsrichtung unmittelbar hinter dem Rohrbogen zu nicht unerheblichen Rückströmgebieten oder zu toten Räumen kommt, direkt angrenzend an Gebiete mit überhöhten Strömungsgeschwindigkeiten. Dieser starke Strömungsgeschwindigkeitsgradient über die Rohrbogenquerschnittsfläche ist in Anbetracht der daraus entstehenden Wirbel und Querströmungen sowie wegen der erhöhten Wandreibung und des daraus resultierenden hohen Druckverlustes zwischen Rohrbogeneingang und Rohrbogenausgang nicht erstrebenswert.
Die DE 195 42 175 Al offenbart ein gekrümmtes Verbindungsstück und Verfahren zu dessen Herstellung, wobei das Verbindungsstück eine über seine Länge im wesentlichen konstante Querschnittsfläche besitzt und wobei das Verbindungsstück eine Krümmung aufweist, die zwischen den Enden durch eine Funktion beschrieben ist, die mindestens ein Maximum an einem Punkt oder in einem Abschnitt hat und den stets parallel angeordneten Außenwänden des Verbindungsstücks einen Verlauf mit variierendem Radius bezüglich eines gegebenen Bezugspunktes aufprägt.
Es hat sich herausgestellt, daß bei der Gestaltung von Rohrbögen die Beschränkung auf im wesentlichen konstante Querschnittsflächen nur stark begrenzte Möglichkeiten bietet, strö- mungsoptimierte Rohrbögen zu verwirklichen, welche minimale Energiedissipation, also einen minimalen Druckabfall über die Rohrbogenlänge aufweisen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Rohrbogen bereitzustellen, welcher gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten Rohrbögen, insbesondere bezüglich des zwangsläufig zwischen Rohrbogeneingang und Rohrbogenausgang entstehenden Druckverlustes, optimiert ist.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine gekrümmte erste Wand und eine gekrümmte zweite Wand eines Rohrbogens durch ihren relativen Verlauf zueinander in Strömungsrichtung nach einer Vergrößerung der Rohrbogenquerschnittsfläche im weiteren Verlauf eine Verringerung der Rohrbogenquerschnittsfläche vorgeben.
Erfindungsgemäße Rohrbögen weisen somit bezüglich des zu erwartenden Fluidgeschwindig- keitsprofils im Inneren des Rohrbogens das Merkmal auf, daß der in den Rohrbogeneingang eingeleitete Fluidstrom durch die zunächst bereitgestellte Vergrößerung des Rohrbogenquer- schnitts einem verringerten Druckgradienten ausgesetzt wird, wodurch sich seine Geschwindigkeit verringert. Daraufhin ist es nun möglich, den verlangsamten Volumenstrom durch Vorgabe der Rohrbogenwände mit im Radius vergrößerten Krümmungen kontinuierlich umzulenken, um mit Annäherung an die Zielströmungsrichtung die Verringerung des Rohrbo- genquerschnitts einzuleiten, zum Beispiel so weit, bis Rohrbogeneingangsquerschnitt und Rohrbogenausgangsquersclinitt übereinstimmen.
Im Vergleich zu vielen nach dem Stand der Technik bekannten unvorteilhaften Rohrbögen mit sehr kleinen bis verschwindenden Krümmungsradien einer ersten Rohrbogenwand, weist ein erfindungsgemäßer Rohrbogen stets von Null verschiedene Rohrbogenwandradien auf. Aufgrund der bereits beschriebenen Aufeinanderfolgung von Vergrößerung und Verringerung des Rohrbogenquerschnitts weisen erfindungsgemäße Rohrbögen zumindest bezüglich einer der beiden Rohrbo genwände eine sich zumindest einmal umkehrende Krümmungsrichtung auf. Erfindungsgemäß kann die Umkehrung der Krümmungsrichtung auf eine der beiden Rohrbogenwände beschränkt sein, oder beide betreffen.
Zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Rohrbögen mit optimiertem Strömungsverhalten kann es darüber hinaus sinnvoll sein, daß zumindest teilweise sich gegenüberliegende Abschnitte von erster Wand und zweiter Wand eine Krümmung entgegengesetzer Richtung aufweisen. Es kann also je nach Ausführungsform der vorliegenden Erfindung realisiert sein, daß sich gegenüberliegende Abschnitte von erster und zweiter Wand eine Vergrößerung des Rohrbogenquerschnittes erzeugen, indem diese eine entgegengesetzte Krümmung aufweisen, oder dadurch, daß gegenüberliegende Abschnitte von erster und zweiter Wand zwar die gleiche Krümmungsrichtung aufweisen, diese jedoch derart unterschiedlich gewählt sind, daß sich der Rohrbogenquerschnitt effektiv vergrößert.
Analoge Überlegungen können natürlich auch bezüglich einer Verringerung des Rohrbogenquerschnitts vorgenommen werden.
Es sei angemerkt, daß die Bestimmung der exakten Ausprägung der oben erwähnten Merkmale eines erfindungsgemäßen Rohrbogens je nach Anwendung und in Abhängigkeit des realisierten Volumenstroms, des transportierten Mediums sowie des zu adaptierenden Rohrleitungssystems, eine Anpassung der erfindungsgemäßen Merkmale an die explizite Ausführungsform mittels bekannter Simulationstechniken voraussetzt, wenn angestrebt ist, eine maximale Optimierung zu erreichen. Nichtsdestotrotz weisen aber auch standardisierte Ausführungsformen des vorliegenden Erfindungsgegenstandes einen im Vergleich zu herkömmlichen Rohrbögen deutlich verringerten Druckverlust zwischen Rohrbogeneingang und Rohr- bogenausgang auf.
Die vorliegende Erfindung offenbart somit Ausführungsformen von Rohrbögen, welche grundsätzlich alle Merkmale enthalten, um einen in der Praxis anwendbaren und in seinem Strömungsverhalten optimierten Rohrbogen mit vorgegebenem Eingangs- und Ausgangsquerschnitt zu realisieren. Insbesondere für die Substitution von vorhandenen konventionellen 90°-Rohrbögen sieht eine vorteilhafte Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung vor, daß die von Rohrbogenein- gang und Rohrbogenausgang definierten Rohrbogenquerschnittsflächen senkrecht zueinander angeordnet sind.
Da die Verwendung der erfindungsgemäßen Rohrbögen in vorhandenen Rohrleitungssystemen vorgesehen ist, wobei die gegebenen Rohrleitungen in der Regel starr und gerade ausgeführt sind, sieht eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vor, daß der Rohrbogen zusätzlich zumindest in der unmittelbaren Umgebung von zumindest einem von Rohrbogeneingang und Rohrbogenausgang einen ungekrümmten Abschnitt der ersten und zweiten Wand aufweist. Zur Aufnahme der vorhandenen Rohrleitung kann ein erfindungsgemäßer Rohrbogen darüber hinaus entweder an seinem Eingang oder seinem Ausgang oder an beidem eine an das vorhandene Rohrsystem angepaßte Muffe zur Aufnahme eines Rohres aufweisen.
Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrbogens ist zur Optimierung des Strömungsverhaltens der oben beschriebenen ersten Vergrößerung des Rohrbogen- querschnitts hinter dem Rohrbogeneingang noch eine zusätzliche Verringerung des Rohrbo- genquerschnitts in Strömungsrichtung vorangestellt. Eine solche zusätzliche Verringerung des Rohrbogenquerschnitts kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, daß eine Rohrbogenwand nur unwesentlich gekrümmt ist und die andere eine ausgeprägtere Krümmung in Richtung der nur unwesentlich gekrümmten Wand aufweist. Dies ist beispielsweise dadurch realisierbar, daß zumindest eine von erster und zweiter Wand die Krümmungsrichtung ein weiteres Mal, also insgesamt zumindest zweimal, umkehrt.
Zur weiteren Optimierung von erfindungsgemäßen Rohrbögen ist darüber hinaus denkbar, daß ein solcher Rohrbogen zusätzlich zumindest ein starres Fluid-Leitelement im Innern aufweist, wobei das zumindest eine Fluid-Leitelement, sofern möglich, zumindest parallel zu einem von erster Wand und zweiter Wand angeordnet ist.
Die voran beschriebenen erfmdungsgemäßen Rohrbögen haben sich als besonders effektiv herausgestellt, wenn sie in Form von Flachkanälen realisiert sind, wobei insbesondere bei diesen, aber generell auch bei den voran beschriebenen Rohrbögen die Variation der Rohrbo- genquerschnittsfläche unter Konstanthaltung einer Abmessung der Rohrbogenquerschnittsflä- che erreicht wird. In der Regel ist dies zum Beispiel im Falle von Flachkanälen die Rohrbo- genhöhe, welche entlang derjenigen Achse bemessen ist, welche in der Ebene der gekrümmten Rohrbogenwände verläuft.
Es ist darüber hinaus auffällig, daß sämtliche Ausführungsformen einen mehr oder weniger stark ausgeprägten schwanenhalsförmigen Rohrbogenverlauf aufweisen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Zeichnungen anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
Hierbei zeigt:
Figur 1 einen Rohrbogen in der Draufsicht,
Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines Rohrbogens,
Figur 3 eine perspektivische Darstellung eines Rohrbogens mit quadratischem Querschnitt,
Figur 4 einen Symmetrievergleich zwischen einem erfindungsgemäßen und einem herkömmlichen Rohrbogen,
Figur 5 Formgebungen von sieben verschiedenen Optimierungsstufen eines erfindungsgemäßen Rohrbogens im Vergleich zu einem herkömmlichen Rohrbogen,
Figur 6 eine exemplarische Darstellung der erreichbaren Druckverlustverringerung,
Figur 7 einen Vergleich der Strömungsprofile in herkömmlichen und erfindungsgemäßen Rohrbögen.
In Figur 1 ist eine Draufsicht eines erfmdungsgemäßen Rohrbogens 1 dargestellt, welcher eine erste Wand 2, eine zweite Wand 3, einen Rohrbogeneingang 4, einen Rohrbogenausgang 5 sowie an beiden Rohrbogenenden jeweils eine Muffe 6 und einen Rohrbogenscheitelpunkt 7 aufweist. Des weiteren sind vier Rohrbogendimensionen "a", "b", "c" und "d" dargestellt, welche eine Abmessung des Rohrbogens 1 in der Zeichnungsebene angeben, wobei diese ohne weiteres als die Beabstandung von erster Wand 2 und zweiter Wand 3 angesehen werden können. Da erfindungsgemäße Rohrbögen eine Vorzugsrichtung bezüglich der Strömungsrichtung des eingeleiteten Fluides zur Erreichung der bestmöglichen Strömungsoptimierung aufweisen, indizieren zwei Pfeile in der Nähe des Rohrbogeneingangs 4 die erfindungsgemäß sinnvolle Strömungsrichtung. Im übrigen legen auch die Bezeichnungen Rohrbogeneingang 4 und Rohrbogenausgang 5 in Verbindung mit den entsprechenden Bezugszeichen in der Figur eine eindeutige Strömungsrichtung fest. Wie man der Figur 1 leicht entnehmen kann, stellt der darin offenbarte Rohrbogen 1 einen strömungsoptimierten Ersatz für konventionelle 90°- Rohrbögen dar, wozu auch sinnvollerweise die von Rohrbogeneingang 4 und Rohrbogenausgang 5, bzw. den angeschlossenen Muffen 6 definierten Querschnittsflächen senkrecht auf- einanderstehen, was meist eine notwendige Voraussetzung darstellt, erfindungsgemäße Rohrbögen 1 in vorhandene Rohrleitungssysteme zu integrieren.
Betrachtet man nun den relativen Verlauf von erster Rohrbogenwand 2 und zweiter Rohrbo- genwand 3 zueinander, so fällt, ausgehend vom Rohrbogeneingang 4, also in Richtung des zu erwartenden Volumenstroms, auf, daß die zweite Rohrbogenwand 3 zunächst unmittelbar hinter der Muffe 6 einen im wesentlichen ungekrümmten Rohrbogenwandabschnitt aufweist, während dessen der gegenüberliegende Abschnitt der ersten Wand eine deutliche Krümmung aufweist, derart, daß sich die zweite Rohrbogenwand 3 und die erste Rohrbogenwand 2 von einer Beabstandung "a" auf eine Beabstandung "b" annähern. Es ist auch ersichtlich, daß ungefähr in dem Bereich, wo die zweite Wand 3 und die erste Wand 2 die Beabstandung "b" erreichen, die Krümmung der ersten Wand 2 einen Wendepunkt aufweist und dementsprechend Ihre Krümmungsrichtung umkehrt, während dessen die zweite Wand 3 mit weiterem Verlauf in Strömungsrichtung eine mehr und mehr ausgeprägte Krümmung in Richtung der Krümmung der ersten Wand 2 aufweist, wobei die Krümmung der zweiten Wand 3 einen Krümmungsradius aufweist, welcher in Relation zu dem Radius der ersten Wand derart gewählt ist, daß sich die Beabstandung von der ersten Wand 2 von der zweiten Wand 3 im Bereich der eigentlichen Volumenstromumlenkung mehr und mehr aufweitet und dabei zum Beispiel an der eingezeichneten Stelle eine Beabstandung "c" erreicht. Folglich ist also die Umlenkung des Volumenstroms damit verbunden, daß gleichzeitig der Rohrbogenquerschnitt aufweitet, wodurch sich wiederum die Strömungsgeschwindigkeit aufgrund des verringerten Druckgradienten absenkt, was zur Folge hat, daß der verlangsamte Volumenstrom in Verbin- dung mit der von den Rohrbogenwänden 2, 3 vorgegebenen Führung in geringerem Maße zur Bildung von Wirbeln und Querströmen tendiert, und darüber hinaus auch zusätzlich Druckabfalle verursachende Wandreibung minimiert wird.
Im weiteren Verlauf des Rohrbogens 1 ist nun zu erkennen, wie der Rohrbogenverlauf derart gewählt ist, daß mit abnehmender Rohrkrümmung, also in den Bereichen, wo die Strömungsablenkung mehr oder weniger vollständig vollzogen ist, sich die erste Rohrbogenwand 2 und die zweite Rohrbogenwand 3 bis zu einer Beabstandung "d" annähern, wobei ohne Beschränkung der Allgemeinheit die Querschnittsfläche am Rohrbogeneingang 4 mit der Querschnittsfläche am Rohrbogenausgang 5 übereinstimmen kann, sofern beabsichtigt ist, den erfindungsgemäßen Rohrbogen 1 zum Beispiel mittels der Muffen 6 an beiden Enden mit einer Rohrleitung äquivalenter Dimensionierung in Verbindung zu bringen.
Des weiteren ist Figur 1 zu entnehmen, daß die Krümmung der ersten Rohrbogenwand 2 neben dem ersten Umkehrpunkt ungefähr auf Höhe der Beabstandung "b" einen zweiten, weniger ausgeprägten Umkehrpunkt im Bereich zwischen der Beabstandung "c" und der Beabstandung "d" aufweisen kann. Im Vergleich dazu weist die Krümmung der zweiten Rohrbogenwand 3 einen einzigen Umkehrpunkt zwischen der Beabstandung "c" und der Beabstandung "d" auf.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rohrbogens 1, wobei dieser unter Konstanthaltung der eingezeichneten Dimension "h", z. B. unter Konstanthaltung der Rohrbogenhöhe, realisiert worden ist. Es wird also deutlich, daß bei einer solchen Ausfuhrungsform die erfindungsgemäße Rohrbogenquerschnittsvergrößerung zur Verlangsamung des Volumenstroms ausschließlich durch Variation der Beabstandung von erster Rohrbogenwand 2 und zweiter Rohrbogenwand 3 umgesetzt worden ist.
Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Rohrbogen 1 mit quadratischem Querschnitt. Der hier dargestellte Rohrbogen 1 zeigt, daß auch unter Berücksichtigung leichter Modifikationen der in Figuren 1 und 2 dargestellten Rohrbögen 1, aber unter Beibehaltung aller erfmdungsrele- vanten Merkmale, das beabsichtigte optimierte Strömungsverhalten erreicht werden kann. Auch bei diesem Rohrbogen 1 ist sichtbar, wie sich die Beabstandung der erste Rohrbogenwand 2 zur zweiten Rohrbogenwand 3 in der Nähe des Rohrbogeneingangs 4 im weiteren Verlauf in Richtung zweiter Rohrbogenwand 3 zunächst aufweitet und dann wieder zusam- mengeführt wird, wobei jedoch eine leicht modifizierte Führung von erster Wand 2 und zweiter Wand 3 gewählt worden ist. Nichtsdestotrotz weist auch diese Ausführungsform den bereits aus Figuren 1 und 2 bekannten im wesentlichen schwanenhalsförmigen Verlauf auf. Dieser ist insbesondere dadurch ausgeprägt, daß der Rohrbogenscheitelpunkt 7 der zweiten Wand 3 oberhalb der Endposition der zweiten Wand 3 im Bereich des Rohrbogenausgangs 5 liegt. Bei konventionellen 90°-Rohrbögen existiert in der Regel kein ausgewiesener Rohrbogenscheitelpunkt.
Figur 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Rohrbogen 1 im Querschnitt, wobei die Abweichungen von dem Verlauf eines herkömmlichen Rohrbogens eingezeichnet sind. Hierbei wird von einem herkömmlichen Rohrbogen ausgegangen, welcher einen Querschnitt von ca. 89 • 222 mm2 sowie an einer ausgewiesenen Stelle auf der ersten Wand 2 einen Knick mit Radius 0 mm aufweist, so daß im wesentlichen die beiden durch den Knick getrennten Teilabschnitte der ersten Rohrbogenwand 2 senkrecht aufeinanderstehen. Die beispielhafte Optimierung wurde unter Annahme eines Volumenstroms von 300 m3/h vorgenommen. Es wird ersichtlich, daß bereits vergleichsweise kleine Abweichungen von der Urform eines konventionellen Rohrbogens, wie oben beschrieben, die Realisierung eines erfindungsgemäß optimierten Rohrbogens 1 ermöglichen. In der hier dargestellten Figur ist die Form eines herkömmlichen Rohrbogens durch die gestrichelten Linien angedeutet und es wird sichtbar, daß die Optimierung insbesondere beinhaltet, der zweiten Rohrbogenwand 3 eine leichte Überhöhung und damit einen ausgeprägten Scheitelpunkt 7 zu verleihen und auf der gegenüberliegenden Seite, leicht in Richtung Rohrbogenausgang 5 verschoben, die erste Wand 2, wie eingezeichnet, in Richtung geringerer Beabstandung zur zweiten Wand 3 zu modifizieren. Insbesondere diese beiden Merkmale tragen auch zu der schwanenhalsförmigen Erscheinung eines erfindungsgemäßen Rohrbogens 1 bei.
Figur 5 zeigt eine schrittweise Optimierung eines erfindungsgemäßen Rohrbogens, ausgehend von einem Rohrbogen mit einem ersten Radius von 0 mm, in der Figur mit "0" bezeichnet. Es ist wiederum sichtbar, daß schon leichte Abweichungen von der Urform, mit dem Ziel, den Druckverlust zwischen Rohrbogeneingang und Rohrbogenausgang zu verringern, dazu führen, daß ein optimierter Rohrbogen einen zumindest ansatzweise erkennbaren schwanenhalsförmigen Verlauf von erster und zweiter Wand aufweist. Besonders ausgeprägt wird dieser in der Optimierungsstufe "4". Es ist auch bei vielen der hier dargestellten Optmimierungsstufen erkennbar, wie der bereits in Figur 1 für einen optimalen Rohrbogen 1 dargestellte Verlauf von erster Wand 2 und zweiter Wand 3 zumindest qualitativ wiedergefunden werden kann, wobei die quantitative Ausprägung der entscheidenden Merkmale mitunter stark variiert. Darüber hinaus weisen manche der dargestellten Optimierungsstufen gegenüber dem in Figur 1 dargestellten Rohrbogen 1 zusätzliche Merkmale auf, die ebenfalls zu der er findungs gemäßen Optimierung beitragen. Beispielsweise sei der Rohrbogen "2" erwähnt, bei welchem die zweite Rohrbogenwand im Bereich in Strömungsrichtung hinter dem Rohrbogeneingang und bevor die eigentliche Umlenkung des Volumenstromes in Richtung Rohrbogenausgang realisiert wird, eine deutliche Krümmung nach außen, also weg vom Rohrbogenausgang, aufweist.
Figur 6 zeigt die quantitativ erreichbare Druckverlustminderung der in Figur 5 dargestellten Ausführungsformen. Quantitativ sei zunächst erwähnt, daß zwischen dem herkömmlichen Rohrbogen "0" und dem optimalen Rohrbogen "7" eine Druckverlustminderung von 73 % liegt. Bei Betrachtung der einzelnen Meßwerte wird sichtbar, daß die zwischen den einzelnen Optimierungsstufen realisierte Druckverlustminderung allein von Rohrbogen "4" gebrochen wird, wobei dieser am wenigstens ausgeprägt die erfindungsgemäße Abfolge von Aufweitung der Beabstandung von erster Rohrbogenwand und zweiter Rohrbogenwand und Wiederannäherung der Beabstandung von erster und zweiter Rohrbogenwand aufweist.
Figur 7 zeigt das simulierte Strömungs verhalten eines herkömmlichen Rohrbogens "0" im Vergleich zu einem optimierten Rohrbogen "8". Es ist zu sehen, daß der herkömmliche Rohrbogen mit Radius 0 mm der zweiten Wand im Rohrbogenbereich hinter der Volumenstromablenkung ein ausgeprägtes Rückströmgebiet und daraus resultierende Wirbelbildung zeigt. Da der Netto volumenstrom jedoch erhalten sein muß, führt die Bildung solcher Rückströmgebiete dazu, daß die verbleibende Rohrbogenquerschnittsfläche von einem Volumenstrom hoher Dichte und mit hohen Geschwindigkeiten durchsetzt wird. Im Vergleich dazu zeigt der erfindungsgemäß optimierte Rohrbogen "7" ein vergleichbar homogenes Strömungsprofil auf, was auf laminare Strömung hinweist, wobei Rückströmgebiete und Wirbelbildung unterdrückt und damit Wandreibung reduziert und insgesamt somit auch der Druckverlust zwischen Rohrbogeneingang und Rohrbogenausgang minimiert wird.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. Bezugszeichenliste
Rohrbogen erste Wand zweite Wand
Rohrbogeneingang
Rohrbogenausgang
Muffe
Rohrbogenscheitelpunkt

Claims

Patentansprüche
1. Rohrbogen (1) für Fluidkanäle mit einer ersten Wand (2) variierender Krümmung, mit einer zweiten Wand (3) variierender Krümmung und mit einer variierenden Querschnittsfläche, wobei die Krümmung der ersten Wand (2) und die Krümmung der zweiten Wand (3) derart gewählt sind, daß sich im Betrieb ein minimaler Druckverlust zwischen einem Rohrbo- geneingang (4) und einem Rohrbogenausgang (5) ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte erste Wand (2) und die gekrümmte zweite Wand (3) durch ihren relativen Verlauf zueinander in Strömungsrichtung nach einer Vergrößerung der Rohrbogenquerschnittsfläche im weiteren Verlauf eine Verringerung der Rohrbogenquerschnittsfläche vorgeben.
2. Rohrbogen (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der beiden Rohrbogenwände (2, 3) eine sich zumindest einmal umkehrende Krümmungsrichtung aufweist.
3. Rohrbogen (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest teilweise sich gegenüberliegende Abschnitte der ersten Wand (2) und der zweiten Wand (3) eine Krümmung entgegengesetzter Richtung aufweisen.
4. Rohrbogen (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von Rohrbogeneingang (4) und Rohrbogenausgang (5) definierten Rohrbogenquer- schnittsflächen senkrecht zueinander angeordnet sind.
5. Rohrbogen (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zusätzlich zumindest in der unmittelbaren Umgebung von zumindest einem von Rohrbogeneingang (4) und Rohrbogenausgang (5) einen ungekrümmten Abschnitt der ersten und zweiten Wand aufweist.
6. Rohrbogen (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der ersten Wand (2) und der zweiten Wand (3) in Strömungsrichtung in einem Rohrbogenabschnitt vor der Vergrößerung des Rohrbogenquerschnitts eine zusätzliche Verringerung des Rohrbogenquerschnitts vorgibt.
7. Rohrbogen (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Verringerung des Rohrbogenquerschnitts dadurch erreicht wird, daß ein Rohrbogenwandabschnitt im Vergleich zum gegenüberliegenden Rohrbogenwandabschnitt weniger stark oder nur unwesentlich gelcrümmt ist und der stärker gekrümmte Rohrbogenabschnitt in Richtung des weniger gekrümmten Rohrbogenwandabschnitts gekrümmt ist.
8. Rohrbogen (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine von erster und zweiter Wand (2, 3) die Krümmungsrichtung zwischen Rohrbogeneingang (4) und Rohrbogenausgang (5) zumindest zweimal umkehrt.
9. Rohrbogen (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zusätzlich zumindest ein starres Fluid-Leitelement im Innern aufweist, wobei das zumindest eine Fluid-Leitelement parallel zu zumindest einem von erster Wand (2) und zweiter Wand (3) angeordnet ist.
10. Rohrbogen (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation der Rohrbogenquerschnittsfläche unter Konstanthaltung einer Abmessung der Rohrbogenquerschnittsfläche erreicht wird.
11. Rohrbogen (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrbogen (1) einen im wesentlichen schwanenhalsförmigen Verlauf aufweist, wobei ein Rohrbogenscheitelpunkt (7) der zweiten Rohrbogenwand (3) bezüglich einer Achse oberhalb der Position der zweiten Rohrbogenwand (3) am Rohrbogenausgang (5) liegt.
12. Rohrbogen (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrbogen (1) zumindest an einem von Rohrbogeneingang (4) und Rohrbogenausgang (5) eine Muffe (6) zur Aufnahme eines Rohres aufweist.
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