AT521376B1

AT521376B1 - Vorrichtung zum Konditionieren von Fluiden

Info

Publication number: AT521376B1
Application number: ATA50854/2018A
Authority: AT
Inventors: Pöstinger Christian
Original assignee: Christian Poestinger; LAG GmbH
Priority date: 2018-10-04
Filing date: 2018-10-04
Publication date: 2020-01-15
Also published as: WO2020069543A1; AT521376A4

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Konditionieren von Fluiden in einem Gehäuse (1) mit einem eine Leiteinrichtung für das Fluid bildenden Wirbelerzeuger (2) zwischen einem Zulauf (3) und einem Ablauf (4) beschrieben. Um vorteilhafte Konditionierungsverhältnisse zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass der Wirbelerzeuger (2) einen, eine von einer um eine Achse (5) rotierenden Kurve (6) erzeugte Rotationsfläche (7) aufweisenden, Leitkörper (8) umfasst, in den ein gegengleicher Leiteinsatz (9) eingesetzt ist, der zumindest teilweise an der Rotationsfläche (7) anliegt, wobei zwischen Leitkörper (8) und Leiteinsatz (9) wenigstens ein wendelförmig um die Achse (5) in Förderrichtung (10) umlaufender Strömungskanal (11) für das Fluid vorgesehen ist, und wobei der Strömungskanal (11) einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist.

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Konditionieren von Fluiden in einem Gehäuse mit einem eine Leiteinrichtung für das Fluid bildenden Wirbelerzeuger zwischen einem Zulauf und einem Ablauf, wobei der Wirbelerzeuger einen, eine von einer um eine Achse rotierenden Kurve erzeugte Rotationsfläche aufweisenden, Leitkörper umfasst, in den ein gegengleicher Leiteinsatz eingesetzt ist, der zumindest teilweise an der Rotationsfläche anliegt, wobei zwischen Leitkörper und Leiteinsatz wenigstens ein wendeiförmig um die Achse in Förderrichtung umlaufender Strömungskanal für das Fluid vorgesehen ist.

[0002] Derartige Vorrichtungen zum Konditionieren von Fluiden sind beispielsweise aus der US 1 809 438 A, der DE 145 663 C, der GB 1910 17 343 A und der US 1 747 361 A bekannt. Eine weitere Vorrichtung zur Konditionierung von Fluiden vor einer späteren Verbrennung offenbart beispielsweise die AT 413 875 B gemäß der der Wirbelerzeuger dem Fluid eine schraubenförmige Strömung induziert und damit einen Wirbel erzeugt, wobei er Durchflussquerschnitt durch den Wirbelerzeuger gleich oder größer ist, als der durch den Zu- und Ablauf. Dieses Durchflussquerschnittverhältnis ist für eine Konditionierung allerdings nicht unbedingt von Vorteil, insbesondere hat sich herausgestellt, dass besagte Wirbelerzeuger zwar für eine gute Durchmischung des Fluides, insbesondere eines Brennstoffes, sorgt, allerdings nicht die gewünschte Konditionierung bringt.

[0003] Zur Konditionierung von Gasen vor einer späteren Verbrennung ist es bekannt (US 3 955 835), in die Leitung kurz vor einem Brenner einen Drallerzeuger einzusetzen, der in entsprechenden Nuten mehrere Gänge eines Steilgewindes aufweist. Dabei wird der Durchflußquerschnitt gegenüber dem Zu- und Ablauf wesentlich verringert und im Ablaufbereich in Fortsetzung der erwähnten Gewindenuten ein Strömungsverlauf aus sich dann zusammenfügenden schraubengangartig weiterdrehenden Teilströmen erzeugt wird.

[0004] Eine weitere Möglichkeit einer Brennstoffkonditionierung zeigt die DE 41 19 081, gemäß deren Lehre eine Turbine vorgesehen ist, die über einen tangentialen Zulauf mit Brennstoff beaufschlagt wird, der in weiterer Folge über einen konzentrischen Ablauf abgeleitet und der weiteren Verwendung zugeführt wird. Es erfolgt eine reine Durchmischung des Brennstoffes.

[0005] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art anzugeben, die eine verbesserte Konditionierung von Fluiden, insbesondere von Brennstoffen, wie Pflanzenölen, Mineralölen und Gasen, zu ermöglichen.

[0006] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Strömungskanal einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist.

[0007] Einfache Konstruktionsverhältnisse ergeben sich, wenn der Strömungskanal einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist. Damit kann der Strömungskanal bzw. können die Strömungskanäle vorteilhaft gefertigt werden. Zudem entstehen dadurch bei entsprechendem Durchfluss durch den Strömungskanal geometriebedingt zusätzliche Scherkräfte.

[0008] Mit einer derartigen Vorrichtung ist die angestrebte verbesserte Konditionierung von Fluiden, insbesondere von Brennstoffen, wie Pflanzenölen, Mineralölen und Gasen, deshalb möglich, da dem Fluid mit dem erfindungsgemäßen Wirbelerzeuger besonders hohe innere Scherkräfte aufgezwungen werden können, welche den gewünschten Effekt der Konditionierung bewirken. Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, dass vor einer Verbrennung derart aufbereitete Brennstoffe effektiver und sauberer verbrennen, womit nicht nur das Abgasverhalten verbessert, sondern auch der Treibstoffverbrauch bei gleicher Leistung verringert werden können.

[0009] Die mechanische, wendeiförmige Führung des Fluides um die Achse in Förderrichtung bewirkt, eine Beschleunigung des Fluides zu einer Spitze des Leiteinsatzes, dem Austritt aus dem Wirbelerzeuger, wobei das Fluid komprimiert wird. An der Spitze löst sich das Fluid in einem Wirbel und wird in weiterer Folge dem Ablauf zugeführt. Durch diesen Vorgang werden insbesondere die Anteile an langen Kohlenwasserstoffketten vorteilhaft konditioniert und wer1 /9

AT 521 376 B1 2020-01-15 österreichisches patentamt den gegebenenfalls im Brennstoff gelöste Sauerstoffanteile mit nicht brennbaren Substanzen oxidiert. Dies bewirkt in weiterer Folge eine verbesserte Verbrennung und somit auch einen höheren Wirkungsgrad.

[0010] Je nach erforderlicher Durchflussmenge, bzw. auch in Abhängigkeit der Viskosität des Brennstoffes ist es von Vorteil, wenn wenigstens zwei, vorzugsweise mehrere wendeiförmig um die Achse in Förderrichtung umlaufende Strömungskanäle für das Fluid vorgesehen sind. Die Strömungskanäle laufen dadurch nach Art eines Mehrgängigen Gewindes um die Achse um, wobei die einzelnen Kanäle im Bereich der Spitze des Leiteinsatzes aus dem Wirbelerzeuger austreten und der gewünschte Konditionierungseffekt zusätzlich verstärkt wird. Die Wahl der Anzahl und die Dimensionierung der Strömungskanäle obliegt dem Fachmann, und hängt naturgemäß von Einsatzzweck und Durchflussmenge ab.

[0011] Der Strömungskanal ist vorzugsweise von einer, von einer Leiteinsatzhüllfläche in den Leiteinsatz zurückspringenden Nut gebildet, wobei die Leiteinsatzhüllfläche an der Rotationsfläche anliegt. Die Strömungskanäle sind also in die Oberfläche des Leiteinsatzes eingearbeitet und werden dadurch umfänglich geschlossen, dass der in den Leitkörper eingesetzte Leiteinsatz, bis auf die von Nuten durchbrochenen Bereiche, vollflächig an der Rotationsfläche des Leitkörpers anliegt. Alternativ oder zusätzlich kann der Strömungskanal von einer, von der Rotationsfläche in den Leitkörper zurückspringenden Nut gebildet sein. Der Strömungskanal wird dann vom Leitkörper geschlossen.

[0012] Um dabei einen definierten Fluidstrom durch den Strömungskanal sicherzustellen, kann der Leiteinsatz mit einer Klemmeinrichtung gegen den Leitkörper gepresst sein, womit etwaige Leckströme, beispielsweise zwischen benachbarten Strömungskanälen, vermieden werden können.

[0013] Effektive Konditionierungsverhältnisse ergeben sich, wenn die um die Achse rotierende Kurve ein Kreisbogen und die erzeugte Rotationsfläche eine Teilfläche eines Torus ist. Der der Strömungskanal läuft dabei insbesondere entlang einer Kanallinie nach der Formel / + ί2π)\ r(</>)sm(—φ + ί2π)

R sin

5(β,φ) -.= ls_y(R^ =

V_z(R,0)/

um die Achse um.

[0014] Der Leitkörper und/oder Leiteinsatz bestehen vorzugsweise wenigstens im Bereich des Strömungskanals aus Aluminium, insbesondere einer Aluminiumlegierung, womit die Konditionierung von Fluiden aufgrund katalytischer Effekte verbessert werden kann.

[0015] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen [0016] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Querschnitt, [0017] Fig. 2 den Leiteinsatz aus Fig. 1 mit den Strömungskanälen in vergrößerter Schrägansicht, [0018] Fig. 3 einen kreisförmigen Strömungskanal in Schrägansicht, [0019] Fig. 4 eine Ansicht auf einen Leiteinsatz von unten [0020] Fig. 5 eine Seitenansicht auf den Leiteinsatz aus Fig. 4 und [0021] Fig. 6 das vergrößerte Detail V aus Fig. 5.

[0022] Die Vorrichtung zum Konditionieren von Fluiden in einem Gehäuse 1 umfasst einen eine Leiteinrichtung für das Fluid bildenden Wirbelerzeuger 2 zwischen einem Zulauf 3 und einem Ablauf 4.

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AT 521 376 B1 2020-01-15 österreichisches patentamt [0023] Der Wirbelerzeuger 2 weist einen, eine von einer um eine Achse 5 rotierenden Kurve 6 erzeugte Rotationsfläche 7 aufweisenden, Leitkörper 8 auf, in den ein gegengleicher Leiteinsatz 9 eingesetzt ist. Der Leiteinsatz 9 liegt zumindest teilweise an der Rotationsfläche 7 an, wobei zwischen Leitkörper 8 und Leiteinsatz 9 wenigstens ein wendeiförmig um die Achse 5 in Förderrichtung 10 umlaufender Strömungskanal 11 für das Fluid vorgesehen ist.

[0024] Der Leiteinsatz 9 weist mehrere wendeiförmig um die Achse 5 in Förderrichtung 10 umlaufende Strömungskanäle 11 für das Fluid auf, die je einen halbkreisförmigen Querschnitt besitzen. Jeder Strömungskanal 11 ist von einer, von einer Leiteinsatzhüllfläche in den Leiteinsatz 9 zurückspringenden Nut gebildet, wobei die Leiteinsatzhüllfläche an der Rotationsfläche 7 anliegt.

[0025] Der Leiteinsatz 9 ist mit einer Klemmeinrichtung 12, einer im Gehäuse 1 geführten Klemmschraube, gegen den Leitkörper 8 gepresst. Das Gehäuse 1 umfasst einen Grundkörper, in den der Wirbelerzeuger 2 eingesetzt ist und je einen den Zulauf 3 und den Ablauf 4 aufnehmenden, vom Grundkörper abnehmbaren Gehäusedeckel.

[0026] Die um die Achse 5 rotierende Kurve 6 ist ein Kreisbogen und die erzeugte Rotationsfläche 7 eine Teilfläche eines Torus.

[0027] Im Folgenden wird die Geometrie des Strömungskanals entlang einer Kanallinie S des Wirbelerzeugers 2 beschrieben, wobei die Kanallinie S in der Rotationsfläche liegt.

[0028] Die 3 dimensionale Kanallinie S setzt sich aus im kartesischen System aus folgenden drei x,y und z Komponenten zusammen:

S_X(R, φ) = Γ(φ)οο5(—φ + ί2π)

S_V(R, φ) = Γ(φ)5ίη(—φ + ί2π) /|φ|\

S_Z(R, φ) = R sin (1) (2) (3) [0029] Eine einzelne Kanallinie S(R, φ) ist mit den Gleichungen 1,2 und 3 vollständig beschrieben. In Vektorform stellt sich die Gleichung wie folgt dar:

/ Γ(φ)(:ο5(—φ + ί2π)\ r(0)sin(—φ + ί2π) (4)

R sin

[0030] Die Radialfunktion (5) in Gig. 4 beschreibt die durch die Schraubengeometrie bedingte Vergrößerung des Radius.

r(R,<^ = O_b + O_s + R-(1-cos (£)) (5) [0031] wobei R dem Radius der Kurve 6 und φ [0,2π] dem Polarwinkel entspricht. Einer vollständigen Drehung entspricht den Abdecken der gesamten Kanallinie gegen den Uhrzeigersinn. Soll der Drehsinn der Schraube umgekehrt werden, so muss stattdessen das Intervall [0,-2π] genutzt werden.

[0032] Fig. 3 zeigt einen kreisförmigen Zulaufkanal in Schrägansicht mit einem Durchmesser D_Mz· Die Querschnittsfläche A_Mz errechnet sich zu

Dmz²*tc

A_Mz=--------------- [mm²] (6) [0033] Die Querschnittsfläche A_K jedes halbkreisförmigen Strömungskanals 11 errechnet sich zu

3/9

AT 521 376 B1 2020-01-15 österreichisches patentamt [0034] Daraus lassen sich die benötigte Anzahl nK an Strömungskanälen 11 errechnen d_K ²*u

A_K= [mm (7)

A_mz [mm²] n_K= (8)

A_K [mm²] und der Verschiebefaktor At

At = (9) n_K bestimmen.

[0035] Des weiteren sind in der Zeichnung folgende Parameter angegeben, die Höhe s der Leiteinsatzbasis, die Nuttiefe r_K des Strömungskanals 11, die Nutbreite d_K des Strömungskanals 11, die Höhe H des Leiteinsatzes, den Durchmesser D_R des Leiteinsatzes an der Basis B, den Durchmesser O_B des Leiteinsatzes an der Spitze S und den Radius R der um die Achse 5 rotierenden Kurve 6, wobei der Radius R an Leiteinsatz und Leitkörper gleich ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Konditionieren von Fluiden in einem Gehäuse (1) mit einem eine Leiteinrichtung für das Fluid bildenden Wirbelerzeuger (2) zwischen einem Zulauf (3) und einem Ablauf (4), wobei der Wirbelerzeuger (2) einen, eine von einer um eine Achse (5) rotierenden Kurve (6) erzeugte Rotationsfläche (7) aufweisenden, Leitkörper (8) umfasst, in den ein gegengleicher Leiteinsatz (9) eingesetzt ist, der zumindest teilweise an der Rotationsfläche (7) anliegt, wobei zwischen Leitkörper (8) und Leiteinsatz (9) wenigstens ein wendelförmig um die Achse (5) in Förderrichtung (10) umlaufender Strömungskanal (11) für das Fluid vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (11) einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei, vorzugsweise mehrere wendeiförmig um die Achse (5) in Förderrichtung (10) umlaufende Strömungskanäle (11) für das Fluid vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (11) von einer, von einer Leiteinsatzhüllfläche in den Leiteinsatz (9) zurückspringenden Nut gebildet ist, wobei die Leiteinsatzhüllfläche an der Rotationsfläche (7) anliegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (11) von einer, von der Rotationsfläche (7) in den Leitkörper (8) zurückspringenden Nut gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiteinsatz (9) mit einer Klemmeinrichtung (12) gegen den Leitkörper (8) gepresst ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die um die Achse (5) rotierende Kurve (6) ein Kreisbogen und die erzeugte Rotationsfläche (7) eine Teilfläche eines Torus ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (11) entlang einer Kanallinie nach der Formel / Γ^φ/οΒ^—φ + ί2π)\ r(0)sm(—φ + ί2π)

R sin um die Achse (5) umläuft.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitkörper (8) und/oder Leiteinsatz (9) wenigstens im Bereich des Strömungskanals (11) aus Aluminium, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung, bestehen.