Verfahren und Vorrichtung zum freien Transportieren eines Fluids

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 4.

[0002] Der Transport von Fluiden, nämlich strömenden Medien in flüssigem oder gasförmigem Aggregatzustand, erfolgt üblicherweise in Kanälen. Diese Kanäle bilden eine Abgrenzung zwischen den transportierenden Fluiden und der Umgebung. Sie verhindern eine Vermischung und beeinflussen den Wärmeübergangs. Mitunter sind jedoch Kanäle nicht erwünscht, oder eine Kanalführung ist überhaupt nicht möglich.

[0003] In solchen Fällen bedient man sich des freien Transports der Fluide, wobei der aus der Austrittsdüse ausgestoßene Fluidstrom als Freistrahl auf den Zielpunkt gerichtet werden kann. Diese Freistrahlen haben jedoch den großen Nachteil, daß aufgrund der fehlenden Kanalisierung eine Mischung zwischen dem zu transportierenden Fluid und der Umgebung eintritt. Daraus resultieren zwei unerwünschte Effekte. Zum einen gelangt nur ein geringer Anteil des ursprünglichen Massenstroms zum Ziel. Zum anderen transportiert der Freistrahl einen Massenstrom, der zu einem hohen Anteil aus der Umgebung stammt. Diese Induktion ist eine Funktion der Düsengeometrie, der Austrittsgeschwindigkeit und der Entfernung.

[0004] Als konkretes Beispiel sei die Mischlüftung aus der Lüftungstechnik erwähnt. Dabei wird Zuluft mittels Luftdurchlässen in den Raum eingebracht und als Mischlüftung im Raum verteilt. Will man den Zulufteintritt in den eigentlichen Aufenthaltsbereich hineinlegen, so ergeben sich in der Praxis Probleme mit der Kanalführung. Beispielsweise führen Krananlagen in Industrie- und Gewerbehallen dazu, daß der Einbau von Lüftungskanälen, wenn überhaupt, nur unter großem Aufwand möglich ist. Auch soll der Aufenthaltsbereich nicht durch Kanäle behindert werden, die gegebenenfalls die Flexibilität der Nutzung beeinträchtigen. Bringt man die Zuluft hingegen oberhalb des Aufenthaltsbereichs ein, so ist insbesondere bei hohen Räumen (H > 5m) die Lüftungseffizienz schlecht. Auch ist der Belastungsgrad im Aufenthaltsbereich hoch. Mittels des Düsenstrahls wird einerseits der Thermikluftstrom gestört, der Schadstoffe von unten nach oben transportiert, und es wird andererseits belastete Raumluft induziert und in den Aufenthaltsbereich zurückgeführt.

[0005] Vergleichbare Beispiele gibt es in hydraulischen Anlagen, und zwar dort, wo spezielle Anwendungen den Einsatz von Kanälen in Form von Rohren aus verfahrenstechnischen Gründen verbieten.

[0006] Als weiteres Beispiel für den freien Transport der Fluide sei auf PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 096, no. 004, 30. April 1996 & JP 07 332750 A (TAIKISHA), 22. Dezember 1995 verwiesen. Dort wird Zuluft als primärer Fluidstrom, der zur Bildung von Wirbelringen diskontinuierlich pulsierend aus einer Austrittsdüse ausgestoßen wird, in einen Raum eingebracht. Auch dabei tritt jedoch das bereits oben erwähnten Probleme des Massentransports von belasteter Raumluft durch Interaktion des primären Fluids mit der Raumluft auf.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim freien Transport von Fluiden den Massenstromaustausch mit der Umgebung beherrschbar zu machen, d. h., im wesentlichen erst dort zuzulassen, wo der eigentliche Transportvorgang beendet ist.

[0008] Zur Lösung dieser Aufgabe weist das erfindungsgemäße Verfahren die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.

[0009] Bei der Erzeugung der Wirbelringe wickeln sich der primäre und der sekundäre Fluidstrom ringförmig auf. Der Wirbelring besteht also aus einem Gemisch des primären Fluidstroms mit dem sekundären Fluidstrom. Hat sich der Wirbelring vollständig ausgebildet, so bleibt seine Masse während der Translation konstant. Es wird weder Masse an die Umgebung abgegeben noch Masse aus der Umgebung aufgenommen. Die Transportverhältnisse entsprechen also denen einer kanalisierten Strömung, ohne daß hierzu Kanäle erforderlich wären.

[0010] Durch den sekundären Fluidstrom unterbleibt der Massentransport von zum Beispiel belasteter Raumluft. Es kommt also nicht zu einer Aufnahme von Masse aus der Umgebung. Die Zusammensetzung der Wirbelringe ist somit steuerbar und unabhängig von den jeweiligen Bedingungen der Umgebung.

[0011] Im Vergleich zu einem Transport mit Freistrahlen wird ein geringerer Massenstrom benötigt. Auch findet eine geringere Störung von Sekundärströmungen (zum Beispiel Thermikströmungen) statt. Schließlich bietet die Erfindung die Möglichkeit, einen gezielten Wärmeaustausch zwischen der Umgebung und dem zu transportierenden Fluid zu bewirken.

[0012] Am Zielort lösen sich die Wirbelringe durch Vermischung mit der Umgebung auf. Trifft ein Wirbelring am Zielort auf eine Fläche, so wird der Translationsimpuls in den Rotationsimpuls umgesetzt. Dies führt jedoch nicht zu einer größeren Drehzahl, sondern zu einer Durchmesservergrößerung des Rings. Infolge der Reibung wird der gesamte Impuls abgebaut, und der Wirbelring löst sich vollständig auf, ohne die Behaglichkeitsbedingungen von Personen zu beeinträchtigen, wie es etwa bei konstanten Luftströmungen durch das Auftreten von Zugerscheinungen der Fall ist.

[0013] Die Erfindung ist vor allen Dingen konzipiert für die Lüftungs- und Klimatisierungstechnik. Sie läßt sich jedoch überall dort einsetzen, wo es darum geht, ein gasförmiges oder flüssiges Medium kanalfrei bzw. rohrfrei durch einen Raum zu transportieren und dabei den Stoffaustausch mit der Umgebung zu beherrschen.

[0014] Im Rahmen der Erfindung besteht die Möglichkeit, den primären und den sekundären Fluidstrom aus ein und demselben Medium oder aber auch aus unterschiedlichen Medien zu erzeugen.

[0015] Neben dem Massetransport lassen sich auch Wärmeübergangsvorgänge steuern, beispielsweise dadurch, daß die Wirbelringe aus einem oder zwei Heiz- oder Kühlmedien erzeugt werden.

[0016] Von Bedeutung ist, daß der sekundäre Fluidstrom die Ausbildung der Wirbelringe nicht stört, sondern vielmehr unterstützt. Dies wird durch das Merkmal gefördert, daß der sekundäre Fluidstrom als kontinuierlicher Fluidstrom erzeugt wird. Ferner ist es unter diesen Gesichtspunkten vorteilhaft, daß der sekundäre Fluidstrom im wesentlichen parallel zum primären Fluidstrom ausgerichtet wird.

[0017] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum freien Transportieren eines Fluids weist zur Lösung der gestellten Aufgabe die Merkmale des Patentanspruchs 4 auf. Die Vorrichtung ist also extrem einfach aufgebaut.

[0018] Vorteilhafterweise bildet die Ringdüse auf der Höhe der Austrittsdüse eine diffusorartige Erweiterung, und zwar vorzugsweise dadurch, daß die Ringdüse mit einer konischen Fläche an die Austrittsdüse anschließt. Die Erweiterung führt zu einer Verzögerung der sekundären Fluidströmung, wodurch die Ausbildung der Wirbelringe unter Mischung der beiden Fluidströme gefördert wird.

[0019] Dabei wird ferner vorgeschlagen, die Ringdüse an eine Dosiereinrichtung zum Abgeben des sekundären Fluidstroms als kontinuierlichen Fluidstrom anzuschließen.

[0020] Eine wesentliche Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Ringdüse mit ihrer Außenwand eine über die Austrittsdüse vorstehende Wirbelkammer bildet. Die Wirbelkammer schafft in einfacher Weise eine sehr wirksame Abschirmung der im Entstehen begriffenen Wirbelringe gegen die Umgebung, so daß also gewährleistet werden kann, daß die Wirbelringe auch tatsächlich nur aus dem primären und dem sekundären Fluid bestehen. Nach dem Stabilisieren der Wirbelringe können diese aus dem Austrittsende der Wirbelkammer austreten, da nun kein Stoffaustausch mehr mit der Umgebung stattfindet. Zur günstigen Strömungsführung bildet die Wirbelkammer an ihrem Austrittsende eine Erweiterung.

[0021] Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1

zeigt in schematischer Darstellung einen Axialschnitt durch eine Vorrichtung zum freien Transportieren eines Fluids.

[0022] Die Vorrichtung nach Fig. 1 weist eine Austrittsdüse 1 auf, die an eine nicht dargestellte Einrichtung zum Erzeugen einer pulsierenden Strömung angeschlossen ist. Die Austrittsdüse 1 dient zum Ausstoßen eines pulsierenden primären Fluidstroms.

[0023] Die Austrittsdüse 1 ist von einer Ringdüse 2 umgeben, die zum Ausstoßen eines kontinuierlichen sekundären Fluidstroms dient.

[0024] Der pulsierende primäre Fluidstrom bildet einen Wirbelring 3 aus, und zwar, wie deutlich aus Fig. 1 zu ersehen, unter Einbeziehung von Masse aus dem kontinuierlichen sekundären Fluidstrom. Dieser Vorgang wird dadurch erleichtert, daß die Ringdüse 2 mit einer konischen Fläche 4 an die Austrittsdüse 1 anschließt und auf diese Weise eine diffusorartige Erweiterung bildet, die zu einer Verzögerung des kontinuierlichen sekundären Fluidstroms führt.

[0025] Die Ringdüse 2 bildet mit ihrer Außenwand 5 eine Wirbelkammer, die den Entstehungsbereich der Wirbelringe 3 gegen die Umgebung abschirmt und eine Erweiterung 6 aufweist, aus der die fertigen Wirbelringe 3 austreten.

[0026] Die Wirbelringe 3 bestehen aus einem Gemischmassenstrom, der sich aus dem primären und dem sekundären Fluidstrom zusammensetzt. Nach fertiger Ausbildung der Wirbelringe 3 bleibt deren Masse stabil, so daß also kein Stoffaustausch mit der Umgebung stattfindet. Vielmehr transportieren die Wirbelringe ihre Masse durch den Raum.

[0027] Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So kann die Form der Wirbelkammer anders gewählt werden. Gleiches gilt für den Übergangsbereich, an dem die Austrittsdüse mit der Ringdüse zusammentrifft. Die beiden Fluidströme können gleichartig oder unterschiedlich geartet sein. Dies gilt nicht nur für ihre Zusammensetzung, sondern auch für ihre Temperierung.

Ansprüche

1. Verfahren zum freien Transportieren eines Fluids, wobei ein pulsierender primärer Fluidstrom zur Bildung von Wirbelringen (3) diskontinuierlich aus einer Austrittsdüse (1) ausgestoßen wird,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß ein nicht vom primären Fluidstrom erzeugter sekundärer Fluidstrom zugeführt wird, der den primären Fluidstrom am Orte der Austrittsdüse ringförmig umgibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Fluidstrom als kontinuierlicher Fluidstrom erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Fluidstrom im wesentlichen parallel zum primären Fluidstrom ausgerichtet wird.

4. Vorrichtung zum freien Transportieren eines Fluids, mit einer Austrittsdüse (1) und mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer pulsierenden Strömung, an die die Austrittsdüse (1) angeschlossen ist, um einen primären Fluidstrom zur Bildung von Wirbelringen diskontinuierlich auszustoßen,
   gekennzeichnet dadurch
   eine die Austrittsdüse (1) umgebende Ringdüse (2) zum Erzeugen eines sekundären Fluidstroms.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdüse (2) auf der Höhe der Austrittsdüse (1) eine diffusorartige Erweiterung bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdüse (2) mit einer konischen Fläche (4) an die Austrittsdüse anschließt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdüse (2) an eine Dosiervorrichtung zum Abgeben des sekundären Fluidstroms als kontinuierlichen Fluidstrom angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdüse (2) mit ihrer Außenwand (5) eine über die Austrittsdüse (1) vorstehende Wirbelkammer bildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer an ihrem Austrittsende eine Erweiterung (6) bildet.

Claims

1. Method of freely transporting a fluid in which a pulsating primary fluid flow is discharged discontinuously from an outlet nozzle (1) to form vortex rings (3), characterised in that a secondary fluid flow, which was not produced by the primary fluid flow, is supplied, which annularly surrounds the primary fluid flow at the location of the outlet nozzle.

2. Method as claimed in Claim 1, characterised in that the secondary fluid flow is produced in the form of a continuous fluid flow.

3. Method as claimed in Claim 1 or 2, characterised in that the secondary fluid flow is aligned substantially parallel to the primary fluid flow.

4. Apparatus for freely transporting a fluid including an outlet nozzle (1) and a device for producing a pulsating flow, connected to which is the outlet nozzle (1), in order to discharge a primary fluid flow discontinuously to form vortex rings, characterised by an annular nozzle (2) surrounding the outlet nozzle (1) for producing a secondary fluid flow.

5. Apparatus as claimed in Claim 4, characterised in that the annular nozzle (2) defines a diffuser-like broadened portion at the height of the outlet nozzle (1).

6. Apparatus as claimed in Claim 5, characterised in that the annular nozzle (2) adjoins the outlet nozzle with a conical surface (4).

7. Apparatus as claimed in one of Claims 4 to 6, characterised in that the annular nozzle (2) is connected to a dosing device for generating the secondary fluid flow in the form of a continuous fluid flow.

8. Apparatus as claimed in one of Claims 4 to 7, characterised in that the annular nozzle (2) defines, with its outer wall (5), a vortex chamber projecting beyond the outlet nozzle (1).

9. Apparatus as claimed in Claim 8, characterised in that the vortex chamber defines a broadened portion (6) at its outlet end.

Revendications

1. Procédé de transport libre d'un fluide, dans lequel un courant de fluide primaire pulsé est expulsé de façon discontinue d'une buse de sortie pour la formation d'anneaux tourbillonnaires (3),
caractérisé par le fait
qu'il est apporté un courant de fluide secondaire non produit par le courant de fluide primaire et qui entoure annulairement le courant de fluide primaire à l'endroit de la buse de sortie.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le courant de fluide secondaire est produit sous forme de courant de fluide continu.

3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le courant de fluide secondaire est dirigé dans l'ensemble parallèlement au courant de fluide primaire.

4. Dispositif de transport libre d'un fluide comportant une buse de sortie
(1) et un dispositif de production d'un écoulement pulsé auquel la buse de sortie (1) se joint pour expulser de façon discontinue un courant de fluide primaire pour la formation d'anneaux tourbillonnaires,
caractérisé par
une buse annulaire (2) entourant la buse de sortie (1) et destinée à produire un courant de fluide secondaire.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la buse annulaire (2) forme à la hauteur de la buse de sortie (1) un élargissement du genre diffuseur.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la buse annulaire (2) se joint à la buse de sortie par une surface conique (4).

7. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé par le fait que la buse annulaire (2) est jointe à un dispositif de dosage pour l'émission du courant de fluide secondaire sous forme de courant de fluide continu.

8. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé par le fait que la buse annulaire (2) forme par sa paroi extérieure (5) une chambre à tourbillons qui dépasse de la buse de sortie (1).

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la chambre à tourbillons forme un élargissement à son extrémité de sortie.

Zeichnung