DE102008030423A1

DE102008030423A1 - Rohr mit einer durch ein Oberflächenprofil modifizierten Außenmantelfläche

Info

Publication number: DE102008030423A1
Application number: DE102008030423A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. Berger; Antje Dipl.-Biol. Clasen
Original assignee: FITR Gesellschaft fuer Innovation IM Tief und Rohrleitungsbau Weimar mbH
Current assignee: Gib - Gesellschaft fur Innovation Im Bauwesen De
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: WO2009071501A1; DE102008030423B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rohr mit einer durch ein Oberflächenprofil modifizierten Außenmantelfläche (2). Das Rohr zeichnet sich dadurch aus, dass das Oberflächenprofil von der Außenmantelfläche ausgehende, auf der Rohraußenfläche verteilte Noppen (3) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rohr mit einer durch ein Oberflächenprofil modifizierten Außenmantelfläche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Rohre werden in der Praxis vielfältig angewendet. Sie spielen eine bedeutende Rolle beim Transport von fluiden Medien und beim Übertragen von Wärmeenergie zwischen einem im Inneren des Rohres strömenden Medium und einer äußeren Umgebung. Dabei wird der Einsatz dieser Rohre durch grundlegende Parameter wie Querschnitt, Rohrwerkstoff, Oberflächengüte, Innen- und Außendurchmesser, Wandstärke und Druckstufe bestimmt. Rohre werden aus sehr unterschiedlichen Werkstoffen, wie beispielsweise Stahl, Keramik, Leichtmetall oder Kunststoff, gefertigt und sind in der Regel nicht flexibel.
Nach dem Stand der Technik ist ein Rohr in der Regel als ein länglicher Hohlzylinder ausgebildet, der eine Grund- und Deckfläche und eine Mantelfläche als Wandung aufweist. In der Regel ist dabei die Länge des Hohlzylinders wesentlich größer als dessen Querschnitt. Sowohl die Innen- als auch die Außenseite der Wandung können dabei mit Oberflächenmodifikationen versehen sein. Hierzu existiert ein umfangreicher Stand der Technik.
Die Druckschriften AT 329 608 B , AT 48 697 E , DE 102 10 016 B9 , DE 100 41 919 C , DE 2 209 325 A , DE 60 005 089 T2 , DE 835 156 B und DE 1 122 971 B beschreiben Ausführungsformen, bei denen auf der inneren Oberfläche eines Rohres Rippen oder andere Einbauten angeordnet sind, um die Wärmeübertragungseigenschaften des Rohres zu verbessern.
Die Patentschrift AT 329 608 B beschreibt hierzu wendelförmige Rippen im Inneren des Rohres zur Erzeugung von Turbulenzen ohne eine Erhöhung des Strömungswiderstandes. In der Druckschrift DE 4 345 045 A1 wird ein Einbauelement in Form einer Drahtspirale beschrieben, mit dem die Wärmeübertragungsleistung optimiert werden soll. Rippen werden auch in der DE 600 05 089 T2 offenbart. Diese können geformt werden und weisen ein asymmetrisches Profil auf, wodurch sich der Wärmeaustauschkoeffizient erhöhen lässt.
Die Rippen können auch in Verbindung mit einem Profileinsatz in den Rohrinnenraum eingebracht sein, wie in der WO 1995 025 937 A1 beschrieben ist.
Ausformungen und Strukturen auf der äußeren Rohrfläche werden beispielsweise in den Druckschriften DE 100 27 71 B , DE 4 404 357 C1 und DE 69 526 907 T2 beschrieben. Dies sind entweder als ein schraubenförmig um die Rohrwand gewickeltes gewelltes Metallband, oder ring- oder schraubenförmig umlaufende Rippen ausgebildet, wobei letztere Kerben aufweisen können, die deren Oberfläche vergrößern.
Alle bekannten zum zitierten Stand der Technik gehörenden Rohre weisen sowohl im Rohrinneren als auch auf der Rohraußenseite oberflächenmodifizierende Strukturen auf. Durch die aus dem Stand der Technik bekannten Ausbildungen der Außenmantelflächen ist keine optimale Verbesserung des Wärmeaustausches möglich. Zudem erfordern die bekannten Ausformungen einen zusätzlichen Material-, Herstellungs- und Kostenaufwand. Bei veränderten Innenflächen steigt der Strömungswiderstand und das Gewicht des Rohres an. Zudem erhöht sich auch hier der Herstellungsaufwand. Ablenkelemente, wie Rippen, Bleche und dergleichen, führen darüber hinaus zu einem Wechsel in der Strömungsrichtung des Fluids und zu einem negativen Einfluss auf die strömungstechnischen Eigenschaften des Rohres.
Es besteht somit die Aufgabe, ein Rohr anzugeben, das eine deutlich bessere Funktionalität im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Rohren aufweist. Des weiteren besteht die Aufgabe, ein Rohr anzugeben, das insbesondere bei einer Verlegung oder einem Einzug im Erdreich vorteilhafte Eigenschaften aufweist.
Die Aufgabe wird mit einem Rohr mit einer durch ein Oberflächenprofil modifizierten Außenmantelfläche gelöst, wobei sich das Rohr erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass das Oberflächenprofil von der Außenmantelfläche ausgehende, auf der Außenmantelfläche verteilte Noppen aufweist.
Die derartig geformten Außenmantelfläche greift somit in die Umgebung des Rohres aus, wodurch ein inniger thermischer Kontakt zwischen der Außenmantelfläche und der Umgebung bei einer beträchtlich vergrößerten Oberfläche entsteht.
Die dabei erreichte Oberflächenvergrößerung der Außenmantelfläche bedingt einen besonders guten Wärmeübergang mit der Umgebung. Aus diesem Grund können innerhalb des Rohres angeordnete Mittel zur Erhöhung des Wärmeübergangs, insbesondere auf der Rohrinnenwand angeordnete Profile und Formen vollständig entfallen. Daher weist die Innenmantelfläche zweckmäßigerweise ein glattes Oberflächenprofil auf.
Bei einer Ausführungsform verlaufen die Noppen im wesentlichen parallel zueinander. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Noppen im wesentlichen Senkrecht zur Außenmantelfläche orientiert. Eine winklige Orientierung der Noppen ist jedoch bei einer weiteren Variante ebenfalls möglich.
Die Noppen können zueinander auf verschiedene Weise angeordnet sein. Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform sind die Noppen zueinander gleichmäßig beabstandet. Vorteilhaft ist eine regelmäßige Anordnung der Noppen in einem die Außenmantelfläche mindestens abschnittsweise bedeckenden Muster.
Bei einer weiteren Ausführungsform bilden die Noppen ein unregelmäßiges Muster, welches die Außenmantelfläche abschnittsweise bedeckt.
Die Noppenform kann variieren. Bei einer ersten Ausführungsform weisen die Noppen einen prismatisch gestalteten Noppenschaft auf. Bei weiteren Ausführungsformen ist der Noppenschaft kegelförmig oder pyramidenförmig ausgebildet.
Diese unterschiedlichen Formen können durch eine Reihe verschiedener Noppenkopfformen ergänzt sein. Bei einer ersten Ausführungsform weisen die Noppen einen abgeflachten Noppenkopf auf. Bei einer zweiten Ausführungsform ist der Noppenkopf gespitzt. Bei einer dritten Ausführungsform ist der Noppenkopf abgerundet.
Schließlich können die Noppen halbkugelförmig ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Rohr soll nachfolgend anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten Figuren. Es zeigt
1 einen Längsschnitt durch ein beispielhaftes noppenbesetztes Rohr,
2 eine Außenansicht des Rohres aus 1,
3 einen Querschnitt des Rohres aus 1 und 2,
4 eine Ausführungsform mit sich strangartig auf der Außenmantelfläche erstreckenden Noppen,
5 eine Außenansicht eines Rohres mit helixförmig angeordneten Noppen,
6 eine Außenansicht eines Rohres mit radial und rosettenförmig angeordneten Noppen,
7 eine Reihe beispielhafter Noppenformen.
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein beispielhaftes noppenbesetztes Rohr. Das hier dargestellte Rohr weist eine Innenmantelfläche 1 und eine Außenmantelfläche 2 auf. Diese ist mit einer Vielzahl von Noppen 3 besetzt, zwischen denen sich Hohlräume 4 befinden. Die Innenmantelfläche 1 ist durchgehend glatt ausgebildet und weist keine Ausformungen auf. Die Noppen 3 können sowohl makroskopisch als auch mikroskopisch ausgebildet sein. Sie bilden auf der Rohraußenseite durch ihre Form eine Fläche mit hoch und tief, bzw. konvex und konkav geformten Bereichen aus. Die Rohraußenseite kann bei einer ersten Ausführungsform aus dem Grundmaterial der Rohrwand bestehen. Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein an sich glattes Rohr mit einer auf dessen Mantelfläche schichtartig aufgebrachte Noppenoberfläche versehen. Die Noppen können im letzteren Fall aus einem sich vom Material der Rohrwandung unterscheidenden Material ausgeführt sein.
Die Noppen können in Bezug auf die Außenmantelfläche in unterschiedlicher Weise orientiert sein. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform sind in Bezug auf die Längsrichtung des Rohres sämtliche Längsachsen der Noppen senkrecht zur Rohrwandung orientiert, wobei die Noppen im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Die Noppen weisen in diesem Beispiel Noppenköpfe 5 in einer abgerundeten Form auf.
Die Noppen können auf verschiedene Weise auf der Außenmantelfläche verteilt sein. Bei dem in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Noppen in jeweils sich entlang der Rohrlängsachse erstreckenden Zweierreihen so angeordnet, dass sich im Querschnitt eine in 3 gezeigte Kreuzfigur ergibt. Eine derartige Anordnung der Noppen empfiehlt sich dann, wenn das Rohr durch ein umgebendes Medium in dessen Längsrichtung umströmt werden soll. Diese Noppenanordnung ist aber auch für ein Rohr von Vorteil, das in einer festen Verfüllung, beispielsweise im Erdreich, verlegt werden soll.
Wie in 4 gezeigt, können die so linear angeordneten Noppen zu einem in wesentlichen in Rohrlängsrichtung verlaufenden Noppenstrang 4a vereinigt sein.
5 zeigt eine Noppenanordnung in Form einer Doppelhelix 6. Bei dieser Ausführungsform stehen die Noppen radiär von der Außenfläche des Rohres ab. Die Ganghöhe der Doppelhelix, d. h. deren Steigung, richtet sich dabei von dem vorgesehenen Einsatzbedingungen des Rohres. Eine derartige Doppelhelix ist dann vorteilhaft, wenn ein außen um das Rohr strömendes Medium mit einer Strömungsrichtung senkrecht zur Rohrlängsachse abgelenkt und teilweise am Rohr entlang geführt werden soll, um beispielsweise einen Wärmekontakt zu intensivieren.
6 zeigt eine Noppenanordnung in einer Rosettenform. Jede einzelne Rosette 7 besteht aus strahlenförmig von der Außenfläche ausgehenden, um den Rohrumfang verteilten Noppen. Dabei stehen die Noppen einer Rosette parallel zu der nächst benachbarten Noppe der jeweils nächsten Rosette. Eine derartige Ausführungsform eignet sich besonders gut für eine Wärmeübertragung mit einem äußeren, in Richtung der Rohrlängsachse strömenden Medium oder mit einer das Rohr umgebenden Aufschüttung, beispielsweise dem Erdreich.
7 zeigt einige beispielhafte Noppenformen. Bei einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele wurde bereits ein abgerundeter Noppenkopf 5 erwähnt. Ein derartiger Noppenkopf ist zweckmäßigerweise mit einem zylindrischen Noppenschaft 8 kombiniert. Der zylindrische Noppenschaft kann auch mit einem spitzen, insbesondere kegelförmigen, Noppenkopf 9 kombiniert sein. Eine derartige, angespitzte Noppenform ermöglicht ein Aufstechen oder Aufspießen von mattenförmigen Umhüllungen zum Isolieren oder auch zum Befestigen wärmeleitender Materialien auf der Außenseite des Rohres. Die derartig geformten Noppen stehen stab- oder fingerförmig von der Außenseite des Rohres ab und greifen in die Umgebung aus, wobei ein intensiver Wärmekontakt erreicht werden kann.
Der zylinderförmige Noppenschaft 8 kann auch eine stark verkürzte, bzw. verschwindende, Länge aufweisen. In Verbindung mit dem abgerundeten Noppenkopf 5 entsteht dabei eine abgerundete, stark verkürzte, in der Tendenz halbkugelförmige Noppe 8a.
Im allgemeinen sind für den Noppenschaft eine Vielzahl weiterer prismatischer Formen mit unterschiedlichen Grund- und Deckflächen möglich. 7 zeigt beispielhaft eine Noppe mit einem Dreikant-Noppenschaft 10 und einem pyramidalen, spitzen Noppenkopf 11. Anstelle des Dreikant-Prismas ist natürlich auch ein Prisma mit einer beliebigen Eckenzahl, insbesondere ein Vier- oder Sechskantprisma, möglich. Die Sechskantform bietet den Vorteil, dass die Noppe mit einem Schraubenschlüssel oder einer geeigneten Zange ergriffen und auf der Rohraußenseite in entsprechenden Gewindebohrungen festgedreht oder aus diesen entfernt werden kann.
Natürlich kann der Noppenschaft auch als ein kegelförmiger bzw. kegelstumpfförmiger Noppenschaft 12 oder ein pyramidenförmiger bzw. pyramidenstumpfförmiger Noppenschaft 13 ausgebildet sein. Bei den hier gezeigten Beispielen ist der Noppenkopf nicht ausgebildet, wobei der Noppenschaft jeweils mit einer planen Fläche abschließt. Derartige konische bzw. spitz zulaufende, an der Basis verstärkte Noppenformen sind besonders dann zweckmäßig, wenn für die Noppen eine gegenüber Scher- und Biegekräften widerstandsfähige Form erforderlich ist.
Als Material für die Noppen bieten sich bei gegebenen Noppendicken und -längen sowohl starre, als auch flexible Werkstoffe an. Als starre Werkstoffe kommen insbesondere die im Rohrleitungsbau üblichen metallischen Werkstoffe in Betracht. Dies können vor allem Stahlwerkstoffe, aber auch Zink-, Kupfer- oder Bleilegierungen, aber auch Glaswerkstoffe sein. Flexible Werkstoffe können in Form von Gummi, Kunstoffen oder Verbundmaterialien, insbesondere beschichteten Metalldrähten oder sonstigen Faserwerkstoffen, eingesetzt werden.
Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele können im Rahmen fachmännischen Handelns durch weitere Ausführungsformen ergänzt werden, ohne den Bereich des erfindungsgemäßen Grundgedankens zu verlassen. Weitere Ausführungsformen ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.

1: Innenmantelfläche
2: Außenmantelfläche
3: Noppe
4: Hohlraum
4a: Noppenstrang
5: Noppenkopf, abgerundet
6: Doppelhelix
7: Rosette
8: Noppenschaft, zylindrisch
8a: Noppe, halbkugelförmig
9: Noppenkopf
10: Noppenschaft, dreikantförmig
11: Noppenkopf, pyramidal
12: Noppenschaft, kegelstumpfförmig
13: Noppenschaft, pyramidenstumpfförmig

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- AT 329608 B [0004, 0005]
- AT 48697 E [0004]
- DE 10210016 B9 [0004]
- DE 10041919 C [0004]
- DE 2209325 A [0004]
- DE 60005089 T2 [0004, 0005]
- DE 835156 B [0004]
- DE 1122971 B [0004]
- DE 4345045 A1 [0005]
- WO 1995025937 A1 [0006]
- DE 1002771 B [0007]
- DE 4404357 C1 [0007]
- DE 69526907 T2 [0007]

Claims

Rohr mit einer durch ein Oberflächenprofil modifizierten Außenmantelfläche (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenprofil von der Außenmantelfläche ausgehende, auf der Außenmantelfläche verteilte Noppen (3) aufweist.
Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenmantelfläche (1) eine glatte Oberfläche aufweist.
Rohr nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (3) in Bezug auf die Längsrichtung des Rohres im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (3) im wesentlichen radial zur Außenmantelfläche (2) orientiert sind.
Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (3) winklig zur Außenmantelfläche orientiert sind.
Rohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (3) zueinander gleichmäßig beabstandet sind.
Rohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (3) in einem regelmäßigen, die Außenmantelfläche mindestens abschnittsweise bedeckenden Muster angeordnet sind.
Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (3) in einem unregelmäßigen, die Außenmantelfläche mindestens abschnittsweise bedeckenden Muster angeordnet sind.
Rohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (3) einen prismatisch gestalteten Noppenschaft (8, 10) aufweisen.
Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (3) einen kegelförmigen oder pyramidenförmigen Noppenschaft (12, 13) aufweisen.
Rohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (3) einen abgeflachten Noppenkopf (14) aufweisen.
Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (3) einen gespitzten Noppenkopf (9, 11) aufweisen.
Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (3) einen abgerundeten Noppenkopf (5) aufweisen.
Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (3) halbkugelförmig ausgebildet sind.