1. Fluidstrom in Rohren

1.1. Physikalische Grundlagen

In der bekannten Strömungslehre werden vorzugsweise die Erscheinungen Idealer Fluid beschrieben und durch Formeln berechenbar gemacht. Hier wird ein Modell potentieller Molekularbewegungen realer Fluide dargestellt und erklärt, warum bei realen Fluiden welche Erscheinungen auftreten müssen.

Beim Durchsatz von Fluid in Rohren entsteht Energieaufwand bzw. -verlust, welcher nach bekannter Lehre aufgrund Reibung an der Rohrwandung entsteht und als Wärmeabgabe dem System verloren geht. Obwohl dieses leicht nachweisbar wäre, liegen keine konkreten Werte vor. Im übrigen könnte man isolierte Rohre verwenden, das Ergebnis wäre das gleiche oder ein schlechteres. Hier wird dargelegt, daß der Wärmeverlust zweitrangig ist. Die Verluste entstehen vorrangig dadurch, daß durch die Reibung an der Rohrwandung eine Strömung senkrecht zu dieser entsteht. Infolge dessen muß die anfangs vorhandene laminare Strömung in turbulente Strömung übergehen und die Fluidströmung in der gewünschten linearen Richtung blockiert sich dadurch selbst.

Obige Querströmung ist dagegen schadlos bzw. wirkt positiv, wenn gekrümmte Stromlinien die gewünschte Richtung darstellen. Besondere Beachtung gilt dabei der Sogwirkung, weil in einen lokalen Unterdruck die Moleküle praktisch mit Molekulargeschwindigkeit fließen. Lokaler Unterdruck ist die Ursache aller Wirbelbildung. Besonders vorteilhaft sind Potentialwirbel, weil sie einen Effekt selbsttätiger Beschleunigung aufweisen. Dieses ist allgemein bekannt, anhand des hier dargelegten Modells potentieller Molekularbewegungen wird nachgewiesen, warum diese Effekte auftreten müssen.

Als Zielsetzung einer optimalen Fluidströmung in Rohren wird darum eine Bewegungsform entwickelt, welche ´Potentialdrallströmung´ genannt wird. Sie besteht aus einer Rollschicht entlang der Rohrwandung, in welcher die Haftreibung durch Rollreibung ersetzt wird und welche eine Drallbewegung aufweist. Innerhalb bzw. auf dieser Rollschicht fließt der Hauptstrom, welcher einen Potentialwirbel mit Drall darstellt. Innerhalb dieses Hauptstroms bildet sich ein Kernstrom in Form eines Starren Wirbels, welcher den Hauptstrom stabilisiert.

Einem Potentialwirbel wird weder Wärme zugeführt noch wird Wärme abgeführt. Es bewegen sich lediglich die Moleküle in einem Potentialwirbel mehrheitlich in gleiche Richtung, es erfolgen weniger Kollisionen entgegen der allgemeinen Bewegungsrichtung, obwohl die Moleküle im Potentialwirbel eine größere Dichte aufweisen. Die kinetische Energie in einem Potentialwirbel ist nicht größer als in turbulenter Strömung. Aber die Richtung aller Bewegungen hat einen höheren Ordnungsgrad.

Es macht keinen Sinn, einem Fluid eine ausschließlich gerade Bewegungsmöglichkeit zur Verfügung zu stellen oder gar einem Fluid eine lineare Bewegungsrichtung aufdrücken zu wollen. In einem Rohr kann dagegen Fluid in optimaler Weise fließen, wenn als Bewegungsform die Potentialdrallströmung gewählt wird. Zur Erzeugung, Aufrechterhaltung bzw. Nutzung dieser Potentialdrallströmung wurden diverse Konstruktionselemente in strenger Logik entwickelt, hier zunächst mittels ausschließlich feststehende Teile.

1.2. Konstruktionselemente

Ein Behälterauslauf bzw. Rohreinlauf muß so gestaltet sein, daß im Auslaufrohr eine Potentialdrallströmung entsteht. Dazu muß das Auslaufrohr in den Behälter ragen und sich erweitern zu einem hyperbelförmigen Trichter. Der Trichter ist behälterseitig durch einen Deckel zu ergänzen. Zwischen Trichter und Deckel gelangt Fluid in den Einlaufbereich, wobei Leitbleche ein tangentiales Einströmen bewirken. Auf der Rohrachse ist vom Deckel bis in das Auslaufrohr ein Hauptstromrohr installiert. Das Hauptstromrohr hat geringeren Durchmesser als das Auslaufrohr. Das Hauptstromrohr wird praktisch durch lamellenförmige Leitbleche gebildet, sodaß Fluid tangential einfließt und im Hauptstromrohr ein Potentialwirbel mit Drall erzeugt wird. Durch dessen Sogwirkung entwickelt sich automatisch im gesamten Einlaufbereich ein Potentialwirbel. Außen am Hauptstromrohr und entlang der Trichterwandungen leiten spiralförmige Leitbleche einen Nebenstrom in das Auslaufrohr. In diesem streicht der Hauptstrom über den Nebenstrom und erzeugt damit den walzenförmigen Bewegungsablauf der Rollschicht. Normalerweise werden bei einem Behälterauslauf bzw. Rohreinlauf nur abgerundete Kanten eingesetzt. Es ist offensichtlich, daß diese Konstruktion mit der Ausbildung einer zunächst weiträumigen und sanften Drehbewegung und letztlich einer intensiven Potentialdrallströmung eine Bewegungsform völlig anderer Qualität im Auslaufrohr erzeugt.

Ein Rohrauslauf bzw. Behältereinlauf muß so beschaffen sein, daß die kinetische Energie eines Fluids abgebaut und Druckenergie aufgebaut wird. Bei einen herkömmlichen Difusor wird dazu der Querschnitt erweitert und das Fluid tritt in Richtung der Rohrachse aus. Die Gefahr von Wirbelbildung und damit Energieverlust ist gegeben. Sinnvoller ist, zunächst das Fluid in radiale Richtung umzulenken und am Mantel austreten zu lassen, weil dort der Querschnitt nur linear zum Radius anwächst.

Ein Potentialdrallerzeuger ist geeignet, turbulente Strömung in einem Rohr in Potentialdrallströmung zu überführen oder eine Potentialdrallströmung zu erneuern bzw. zu verstärken. Mittig auf der Rohrlängsachse ist ein runder, vorn und hinten abgeflachter Körper, im folgenden ´Insel´ genannt, eingebaut (´hinten´ bezeichnet im weiteren stets die Richtung, aus der die Strömung kommt, ´vorn´ die Richtung, in die das Fluid fließt). Der Innendurchmesser des Rohres verläuft so, daß der dem Fluid zur Verfügung stehende Querschnitt in etwa gleich bleibt. Eine solche Insel erzeugt keinen Widerstand. Vorn bildet sich vielmehr automatisch ein intensiver Wirbelzopf hoher kinetischer Energie aus. Hier allerdings bewirken Leitbleche zwischen der Rohrinnenwandung und der Insel eine optimal ausgebildete Potentialdrallströmung.

Voriges Konstruktionselement kann mit einem Rollschichterzeuger kombiniert werden, analog z.B. zu obigem Behälterauslauf. Ein Rohrabschnitt geringeren Durchmessers ist in das betreffende Rohr eingebaut, wodurch eine Grenzfläche zwischen Hauptstrom und Rollschicht ausgebildet wird. Zwischen Rohr und diesem Rohrabschnitt wird durch Leitbleche der gewünschte Drall aufgebaut. Die Leitbleche laufen über den Rohrabschnitt hinaus nach vorn mit sich verjüngender Höhe. Der Hauptstrom streicht darüber hinweg und erzeugt die walzenförmige Bewegung der Rollschicht. Dieses Konstruktionselement kann mit diversen anderen, hier vorgestellten Konstruktionselementen kombiniert werden.

Bei einer Rohrquerschnittserweiterung darf der dem Fluid zur Verfügung stehende Querschnitt nur sanft erweitert werden, damit Wirbelbildung und Energieverlust vermieden werden. Dieses kann erreicht werden, wenn auf der Rohrachse eine Insel eingebaut wird. Zwischen der Rohrwandung und der Insel sind Leitbleche zu installieren, welche so geformt sein müssen, daß der Drall vorn geringer ist als hinten. Vorn sollte zudem die Rollschicht stabilisiert werden.

Bei einer Rohrquerschnittsreduzierung entsteht normalerweise Widerstand. Dieser Widerstand kann verringert werden, wenn auf der Rohrachse eine Insel eingebaut wird. Die Verengung kann dann sanfter erfolgen. Zudem vermitteln Leitbleche zwischen Rohrwandung und Insel der Strömung eine entsprechend größere Bewegungskomponenten in Längsrichtung des Rohres. Vorn sollte die Rollschicht wieder stabilisiert werden.

Eine Düse ist oftmals ein entscheidendes Bauelement zur Umsetzung des Drucks bzw. der kinetische Energie eines Fluids. Um den Widerstand der Düse zu reduzieren und den Fluidstrom bestmöglich zu organisieren, muß der Fluidstrom stufenweise geordnet werden. Zuerst muß der Fluidstrom in einer Dimension geordnet werden, indem er eine flächige Struktur erhält. Dieses wird durch Einbau einer Insel und gleichzeitiger Erweiterung des Rohrdurchmessers erreicht. Der dem Fluid zur Verfügung stehende Querschnitt kann dabei schon sanft verringert werden. Zweitens ist dem Fluidstrom ein starker Drall aufzuprägen. Dieses wird erreicht durch Leitbleche zwischen Rohrwandung und Insel im Bereich der Erweiterung des Durchmessers. Drittens wird automatisch ein Potentialwirbel erzeugt im Bereich der anschließenden Rohrquerschnittsverjüngung. Dort verringert sich der Querschnitt kontinuierlich. Das Fluid wird damit in spiraliger Bahn geführt, wobei außen ein hoher Druck durch die Rohrwandung ausgeübt wird. Innen wird dagegen durch die zurückweichende Inselwandung ein Sog erzeugt. Zusammen ergibt sich daraus ein spiralförmig, nach vorn gerichteter Potentialwirbel. In diesem bewegen sich die Moleküle z.T. mit Molekulargeschwindigkeit in die gewünschte Richtung, zunehmend in axiale Richtung. Am Düsenmund wird noch immer eine Rotationsbewegung gegeben sein, welche sich positiv auswirkt im anschließenden freien Fall.

Die gleichen Konstruktionsprinzipien sind anzuwenden, wenn eine Düse mit ringförmigem Strahl zum Einsatz kommen soll, eine wichtige Variante für viele Anwendungen, z.B. beim Einlauf in eine Turbine. Es werden dann vorn die Durchmesser von Rohr und Insel nicht reduziert, sondern könnten z.B. auch noch größer werden.

Drosselklappen erzeugen Wirbel, besonders zwischen Rohrwandung und Drosselklappe, damit Widerstand und turbulente Strömungen. Dieses ist zu vermeiden, wenn im Rohr eine Insel eingebaut ist und Rohrinnenwandung wie Inselwandung in einem gemeinsamen Bereich die Form von Kugeloberflächen aufweisen. Dazwischen können Drosselklappen drehbar gelagert werden bei minimalem Widerstand.

Ein Leitwerk bei ringförmigem Strahl hat im Prinzip den gleichen Aufbau, nur wird dabei der Durchmesser der Insel vorn nicht auf null reduziert. Durch unterschiedliche Öffnungswinkel wird sowohl die Durchflußmenge wie die Drallbildung gesteuert, z.B. beim Einlauf in eine Turbine.

Ein Bogen ist ein in Rohrsystemen häufig eingesetztes Bauelement. An der Innenseite jedes Rohrbogens einfacher Bauart ergibt sich ein Strömungsabriß, bilden sich Wirbel und ist nurmehr turbulente Strömung gegeben mit entsprechendem Widerstand und Energieverlust. Dieses läßt sich vermeiden, wenn Leitbleche im Bereich des Bogens eine Drallbewegung erzeugen und das Fluid im Verlauf des Bogens mindestens eine volle Drehung um die Rohrachse ausführt. Dann sind alle vergleichbaren Stromlinien gleich lang und von gleicher Krümmung. Mittige Stromlinien sind jedoch kürzer als äußere. Wenn die Leitbleche entsprechend gekrümmt werden, ergibt sich damit eine Potentialdrallströmung, selbst wenn hinten nur turbulente Strömung ansteht. Anstatt des unvermeidlichen Widerstandes herkömmlicher Bogen erzeugt ein Rohrbogen dieser Konstruktion eine qualitativ verbesserte Strömung. Es entsteht volkswirtschaftlich beachtlicher Schaden allein durch die Vielzahl unzureichender Rohrbogen. Es steht außer Frage, daß die Bogen dieser Erfindung Vorteile bringen.

Analog zu den Konstruktionsprinzipien vorigen Bogens kann ein Potentialdrallstrom-Leitwerk eingesetzt werden in geraden Rohrabschnitten. Damit kann turbulente Strömung in Potentialdrallströmung überführt werden oder diese kann nach Rohreinbauten wieder hergestellt bzw. stabilisiert werden. Auch dieses Konstruktionselement empfiehlt sich zum nachträglichen Einbau in bestehende Rohrsysteme.

Ebenso bedeutsam ist die Einleitung bzw. Ausleitung von Fluid in/aus verschiedenen Rohren. In aller Regel ist dieser Vorgang mit Wirbelbildung, turbulenter Strömung und Energieverlust verbunden. Durch diesen Prozeß des Mischens bzw. des Abzweigens von Teilströmen können jedoch wesentliche Vorteile hinsichtlich einer besser geordneten Strömung erzielt werden. Voraussetzung hierbei ist, daß in allen Rohren Potentialdrallströmung herrscht, leicht machbar mit vorigen Konstruktionselementen. Beim Einleiten eines Fluidstroms muß das Fluid in tangentialer Richtung dem abgebenden Rohr entnommen werden, über einen Kanal dem aufnehmenden Rohr wiederum tangential zugeführt werden. Die Querschnittsflächen sind entsprechend zu verringern bzw. vergrößern. Im aufnehmenden Rohr herrscht an der Rohrwandung normalerweise die Geschwindigkeit null. Anstelle dessen bringt nun das zugeführte Fluid seine Geschwindigkeit bzw. seinen Druck ein, bewirkt damit ein Drehmoment im aufnehmenden Rohr. Dadurch wird dessen Potentialdrallströmung wesentlich verstärkt.

Analog dazu ist eine Ausleitung zu konzipieren. Dabei werden dem Hauptstrom nur die relativ langsamen, äußeren Stromlinien entnommen. Analog dazu können T-Stücke konzipiert werden. Besonders interessant ist, einer Druckleitung auf diese Weise nur die langsame, äußere Stromschicht zu entnehmen, nur dieser per Pumpe erhöhten Druck bzw. Geschwindigkeit zu vermitteln, um sie dann dem Hauptstrom wieder beizumischen.

Die Trennung bzw. Zusammenführung von Fluidströmen mit herkömmlichen Bauteilen ergibt praktisch unabdingbar Energieverlust. Theoretisch kann es in der bekannten Strömungslehre bei der Berechnung solcher Mischvorgänge aufgrund bekannter Formeln zu paradoxen Ergebnissen kommen. In diesen Formeln wird nur quantitativ gerechnet. Vektoren sind jedoch qualitative Merkmale. Es darf nicht nur die Durchschnittsgeschwindigkeit in Rohrrichtung betrachtet werden. Die Konstruktionselemente hier beachten vielschichtige Bewegungen, deren Richtung und Geschwindigkeit. Sie erzeugen qualitativ bessere Strömungen.

Mit vorstehenden Konstruktionselementen kann eine Potentialdrallströmung aufgebaut oder stabilisiert werden. Darüber hinaus ist möglich, durch die Formgebung von Rohren die Potentialdrallströmung permanent aufrecht zu erhalten. Diese Art Rohre werden Potentialdrallstrom-Rohre genannt. Ihr Querschnitt ist der eines gleichschenkligen Dreiecks oder Vielecks, wobei die Ecken gerundet sind. Das Rohr insgesamt ist in sich gewendelt. In den Ecken entstehen Nebenströme, entlang der Seitenwände entstehen stabile Rollschichten, der Hauptstrom ist nurmehr in geringem Maße der Reibung durch die Rohrwandung ausgesetzt. Die Nebenströme drehen sich aufgrund ihrer Reibung langsamer, bewirken damit einen Druck nach innen, wodurch der Hauptstrom fortwährend intensiviert wird. Potentialdrallstrom-Rohre sind in der Herstellung aufwendiger, dennoch problemlos machbar, z.B. aus Kunststoff. Die Strömung in solchen Rohren ist vielfach besser als in herkömmlichen Rohren. Ihr Einsatz lohnt in vielen Anwendungen.

1.3. Wichtige Aspekte

Zwischen zwei Punkten ist die Gerade der kürzeste Weg. Der lineare Weg aber ist für ein Fluid nicht ´gehbar´. Fluide müssen auf gekrümmten Bahnen bewegt werden, in Rohrsystemen in Form der Potentialdrallströmung.

Welche ´Energien´ diese Strömungsform ´erzeugt´ wird in jedem Tornado sichtbar. Hier wird aufgezeigt, daß in einem solchen Potentialwirbel keinerlei zusätzlichen Energien zum Einsatz kommen. Ein Potentialwirbel besitzt lediglich einen Selbstorganisationseffekt, in ihm ist lediglich der allgemeinen Molekularbewegung ein höherer Grad gleichgerichteter Strömungsbewegung aufgeprägt. Viele ´normale´ Hoch- und Tiefdruckgebiete besitzen gleich viel Energie wie heftige Wirbelstürme. Nur sind diese zu ´flach´ angelegt, ist in ihnen die Bewegungskomponente in axialer Richtung nicht stark genug ausgeprägt.

Eben diese dritte Dimension ist erforderlich, damit anstelle normaler Wirbel ein Potentialwirbel entstehen kann. Aber gerade diese axiale Bewegungsrichtung ist Zielsetzung eines Rohrsystems. Darum ist die hier vorgestellte Potentialdrallströmung so ungemein bedeutsam für alle Bewegungen von Fluid innerhalb fester Körper.

Die meisten hier vorgestellten Konstruktionselemente haben eine größere ´benetzte´ Fläche als vergleichbare, bekannte Bauteile. Dieses ist vollkommen unerheblich. Es ist vielmehr entscheidend, daß die durch die Reibung entstehenden Kräfte in positivem Sinne hinsichtlich der gewünschten Bewegungsrichtung wirken. Nur darin liegt die Begründung einer ´Selbstorganisation´, welche ohne zusätzlichen Energieaufwand höhere Ordnung schafft.

Mit den hier vorgestellten Konstruktionselementen kann eine völlig neue Qualität der Fluidströme in Rohren erreicht werden. Der Bau dieser Konstruktionselemente ist meist aufwendiger als vergleichbare bekannte. Diese Bauteile sind jedoch in aller Regel sehr langlebig, sodaß die höheren Herstellkosten durch die fortwährende Reduzierung der Energieverluste mehr als ausgeglichen werden. Einige dieser Konstruktionselemente ergeben solch große Verbesserungen, daß ihre umgehende Anwendung außer Frage steht. Das gilt in erhöhtem Maße im Zusammenhang mit Strömungsmaschinen, welche nach vergleichbaren Konstruktionsprinzipien gebaut sind.