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EP 0 855 521 B1 |
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EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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12.03.2003 Patentblatt 2003/11 |
(22) |
Anmeldetag: 17.10.1997 |
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Verfahren und Vorrichtung zum freien Transportieren eines Fluids
Method and device for transporting a fluid
Procédé et dispositif de transport de fluides
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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CH DE DK FR GB IT LI SE |
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Priorität: |
12.11.1996 DE 19646561
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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29.07.1998 Patentblatt 1998/31 |
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Patentinhaber: HOVAL INTERLIZ AG |
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FL-9490 Vaduz-Neugut (LI) |
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Erfinder: |
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- Ammann, Joseph
9494 Schaan (LI)
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Vertreter: Hosbach, Hans Ulrich, Dipl.-Ing. et al |
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ZENZ, HELBER, HOSBACH, LÄUFER,
Patentanwälte,
Huyssenallee 58-64 45128 Essen 45128 Essen (DE) |
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Entgegenhaltungen: :
EP-A- 0 585 194 WO-A-94/18506 DE-A- 4 309 416
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EP-A- 0 619 462 CH-A- 85 516
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- PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 096, no. 004, 30. April 1996 & JP 07 332750 A (TAIKISHA),
22. Dezember 1995
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[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.
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.
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.
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.