CZ21311U1 - Zařízení pro vytváření a zesílení modulace rychlostí toku kapaliny - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro vytváření modulovaných a pulsujících kapalinových paprsků pro různé průmyslové aplikace spojené s destrukcí látek v pevné fázi, tj. pro odstraňování nežádoucích vrstev materiálu nebo realizací objemové dezintegrace materiálu ve stavebnictví, hornictví, hutnictví i dalších oborech lidské průmyslové činnosti.

Dosavadní stav techniky

Pokud na pevnou látku dopadá nemodulovaný kontinuální kapalinový tok, je v místě impaktu toku generován takzvaný stagnační tlak kapaliny, s výjimkou přechodového děje při prvotním dopadu, kdy vzniká tlakový pík označovaný jako impulzní tlak. Ten je až několikanásobně vyšší než tlak stagnační, jehož velikost odpovídá transformaci kinetické formy energie toku do statické formy energie vyjádřené prostřednictvím tlaku přibližně podle Bemoulliho rovnice. Účinky stagnačního tlaku jsou v závislosti na hustotě energie v toku dostačující pro destrukci většiny materiálů, čehož je využíváno jak k odstraňování nežádoucích povrchových vrstev materiálu, jako jsou nátěry, nástřiky, nálety, usazeniny, okuje, omítky, rzi apod,, tak k objemové destrukci narušených částí materiálu, například k odstraňování zvětralých hornin či betonů, nebo dokonce k řezání materiálu. Bylo rovněž jak teoreticky tak experimentálně prokázáno, že modulací kapalinového toku nebo jeho přerušováním lze dosáhnout vyšší destrukční účinnosti při dopadu na pevnolátkový materiál, protože opakovaně působí podobný přechodový děj jako při prvotním dopadu kontinuálního kapalinového toku. Výška impaktniho tlaku se pak řídí mnoha faktory, zejména velikostí kinetické energie toku, hloubkou modulace rychlosti toku, frekvencí modulace a druhem použité kapaliny. Cyklické namáhání materiálu impaktním tlakem vede k vyšší destrukční schopnosti modulovaných a pulzujících kapalinových toků, což bylo také experimentálně potvrzeno.

Problém modulace a pulzace kapalinového toku byl systematicky zkoumán již od roku 1973, kdy byly navrženy první pasivní modulátory kapalinového toku. Kromě směru, rozvíjejícího především modulaci toku bez pohyblivých součástí vystavených styku s kapalinou, byly navrženy také aktivní modulační prvky, které jsou řešeny patentem US 5154347. Tento základní patent se vztahuje na přenášení kmitů z elektrostrikčního nebo magnetostrikčního měniče přes laděný vlnovod do prostoru před výtokovou tryskou celého systému, kde se amplituda kmitů přenese do amplitudy podélné výtokové rychlosti kapalinového toku. Takto vzniká pulzující nebo modulovaný paprsek kapaliny. Nevýhodou tohoto zařízení je zvýšení hmotnosti nástrojů, jejich větší rozměry, nízká životnost hrotu přenášejícího vibrace do kapaliny, protože je narušován kavitačni erozí, a nebezpečí proniknutí kapaliny těsněním kolem vlnovodu do prostoru elektrického zařízení sloužícího ke generaci kmitů. Překážkou rozšíření v technické praxi je také obtížná implementace uvedeného zařízení do stávajících technologických zařízení.

Částečně řeší tento problém dokumenty CZ 299412 a WO 2006/097887, a to náhradou pevnolátkového vlnovodu kapalinovým vlnovodem a posunem zdroje kmitů do speciální komory. Principiálně je řešení podobné jako ve spise US 5154347, ale omezuje kavitačni působeni na zdroj kmitů, který je posunut mimo tok kapaliny. Nevýhodou jsou vysoké ztráty energie a nutnost úprav stávajících technologických zařízení. Mezi dalšími mechanickými pohybujícími se prvky použitými pro modulaci kapalinového toku je možno jmenovat zejména rotující nebo vibrující prvky. Ty způsobují změny profilu protékaného kapalinou, a tím modulaci rychlosti procházejícího kapalinového toku. Také jejich hlavními nevýhodami je však poškozování pohyblivých částí kavitačni erozí a vysoké ztráty energie. Podobný problém se týká i zařízení pro generování pulzujícího paprsku popisovaného v patentu CZ 298759. V tomto zařízení je pulzující paprsek vytvářen rázy kapaliny v trubici, do níž přerušovaně dopadá kapalinový paprsek nižšího tlaku. Vytvořením rázové vlny ve sloupci kapaliny je pak dosaženo zvýšení tlaku v blízkosti výtokového otvoru a rázy přirozeně vedou k velké hloubce modulace až k pulzaci. Nevýhodou je však konCZ 21311 Ul strukční náročnost, kavitační opotřebení v místě vstupu kapaliny do rázové trubice či v blízkém okolí tohoto vstupu a nízká životnost přerušovače či vychylovače nízkotlakého toku kapaliny.

Použití pasivních prvků pro vytváření a zesilování modulací v kapalinovém toku odbourává problémy s kavitací, ale hloubka modulace je zpravidla velmi nízká. Snahou navrhovaného řešení je předložit k využívání takové zařízení, u něhož by se dosáhlo zvýšení míry přelévání energie mezi statickou a dynamickou složkou, a tím zvětšení hloubky modulace.

Podstata technického řešení

Uvedeného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je zařízeni pro vytváření a zesílení modulace rychlosti toku kapaliny tvořené tělesem, vybaveným jednak přívodem kapaliny opatřeným vstupní tryskou a jednak alespoň jednou výtokovou tryskou, jehož podstata spočívá v tom, že vnitřní prostor tělesa je přepážkou rozdělen na iniciační komoru a rezonanční komoru, které jsou propojeny přepouštěcím otvorem, přičemž vstupní tryskaje zaústěna do iniciační komory a výtokové tryskaje vyústěna z rezonanční komory.

Ve výhodném provedení je přepouštěcí otvor realizován ve formě trysky situované ve směru podélné osy tělesa a výtoková tryska je situována v podélné ose tělesa návazně na přepouštěcí otvor.

Je rovněž výhodné, když iniciační komora je opatřena vnitřním pístem situovaným ve směru podélné osy tělesa a rezonanční komoruje opatřena alespoň jednou přídavnou komorou, zabudovanou v radiálním směru vzhledem k toku kapaliny a vybavenou pomocným pístem.

Konečně je výhodné, když těleso i přídavné komory jsou válcového tvaru.

Předkládaným řešením se dosahuje nového a vyššího účinku v tom, že se jedná o konstrukčně poměrně jednoduché řešení, u něhož do toku kapaliny nezasahují žádné pohybující se součásti, které by mohly být narušovány nebo poškozovány kavitačními jevy generovanými v kapalině v blízkosti povrchu pohybujících se pevných předmětů. Řešení umožňuje používat standardní trysky a přívody tlakové kapaliny různých tvarů a velikostí, volené podle účelu, pro který se zařízení aplikuje. Správná funkce zařízení je závislá na přesném naladění celé soustavy, což je řešeno nastavitelností klíčových funkčních prvků.

Popis obrázků na připojených výkresech

Konkrétní příklady provedení technického řešení jsou schematicky znázorněny na připojených výkresech, kde:

obr. 1 je schéma základního provedení zařízení, obr. 2 je schéma alternativního provedení zařízení s regulovatelným objemem iniciační komory, a obr. 3 je schéma alternativního provedení zařízení s přídavnými komorami.

Výkresy, které znázorňují technické řešení a následně popsané příklady konkrétních provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu technického řešení.

Příklady provedení technického řeSení

Zařízení je tvořeno dutým tělesem i s výhodou válcového tvaru, jehož vnitřní prostor je tenkou přepážkou 2 rozdělen na iniciační komoru 3 a rezonanční komoru 4, které jsou propojeny přepouštěcím otvorem 5, realizovaným ve formě trysky a situovaným ve směru podélné osy tělesa I. Do iniciační komory 3 je zaústěn přívod 6 opatřený vstupní tryskou ]_ umístěnou ve stěně tělesa 1 tak, aby z ní přiváděná kapalina iniciovala v objemu kapaliny obsažené v iniciační komoře 3 tlakové rázy, kmity nebo vlny. Rezonanční komora 4 je pak opatřena výtokovou tryskou 8, která je s výhodou situována návazně na přepouštěcí otvor 5, tedy v podélné ose tělesa 1. Objemy komor 3,4 a průřezy prvků 5, ]_ a 8 jsou navrhovány a realizovány pomocí výpočtů pro přesnou konfiguraci zařízení, danou účelem jeho použití.

-2CZ 21311 Ul

Při činnosti zařízení je z přívodu 6 vháněna do iniciační komory 3 tlaková kapalina, jejíž potenciální energie se ve vstupní trysce 7 transformuje do kinetické formy, která způsobuje vznik tlakových rázů, a při správném naladění i stojatých kmitů či vln, v objemu kapaliny této iniciační komory 3, kde jejich velikost je bezprostředně určena tlakem přiváděné kapaliny a průřezem přívodního potrubí či hadice. Tlakové rázy vznikající v iniciační komoře 3 jsou přeměněny na periodické změny kinetické energie v přepouštěcím otvoru 5 přepážky 2 mezi iniciační komorou 3 a rezonanční komorou 4. Periodické změny kinetické energie vyvolávají v objemu kapaliny v rezonanční komoře 4 tlakové změny, které při vhodném naladění rezonanční komory 4 podporují škrcení procházejícího proudění vystupujícího z přepouštěcího otvoru 5 a následně vstupujícího io do výtokové trysky 8.

Popsané řešení není jedinou možnou konstrukční variantou zařízení, ale jak je patrné z obr. 2, je možno iniciační komoru 3 opatřit vnitřním pístem 9 situovaným ve směru podélné osy tělesa 1 a umožňujícím měnit vnitřní objem iniciační komory 3, a tím i ladění soustavy. Ladění soustavy je rovněž možno zajistit zabudováním přídavných komor 10 zaústěných do rezonanční komory 4, kde tyto přídavné komory 10 trubicového provedení jsou zabudovány v radiálním směru vzhledem k toku kapaliny a jsou vybaveny pomocnými písty 11, které umožňují změnu jejich objemu, jak je patrné z obr. 3. Obecně lze konstatovat, že tvar komor 3, 4 a 10 nemusí být válcový či průřezy prvků 5, 7 a 8 nemusí být kruhové, když jejich přesný tvar je určován na základě optimalizace proudění v dané konkrétní konfiguraci a má tedy široké spektrum tvarových variant. Komo20 ry 3, 4 a 10 mohou být libovolného tvaru, případně může být použita kombinace na sebe navazujících různých tvarů, ale válcové dutiny se z výrobního hlediska i z hlediska funkčního jeví jako nej výhodnější.

Průmyslová využitelnost

Technické řešení je určeno jako alternativní doplnění současných komerčně dodávaných systémů využívajících kontinuálním kapalinový paprsek s rozšířením alternativní možnosti generace modulovaných Či pulzujících paprsků bez nutnosti výrazných úprav technologického zařízení. Další možností je použití tohoto řešení při vývoji netradičních rozpojovacích orgánů pro razící, dobývací či vrtné práce v horninách, speciálních zařízení pro čištění povrchů, demolici zvětralého či poškozeného betonu, odstraňování okují apod.

Claims (6)

1. 30 NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro vytváření a zesílení modulace rychlosti toku kapaliny tvořené tělesem (1), vybaveným jednak přívodem (6) kapaliny opatřeným vstupní tryskou (7) a jednak alespoň jednou výtokovou tryskou (8), vyznačující se tím, že vnitřní prostor tělesa (1) je přepážkou (2) rozdělen na iniciační komoru (3) a rezonanční komoru (4), které jsou propojeny přepouštěcím

   35 otvorem (5), přičemž vstupní tryska (7) je zaústěna do iniciační komory (3) a výtoková tryska (8) je vyústěna z rezonanční komory (4).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že přepouštěcí otvor (5) je realizován ve formě trysky situované ve směru podélné osy tělesa (1).
3. 3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že výtoková tryska (8) je situo40 vána v podélné ose tělesa (1) návazně na přepouštěcí otvor (5).
4. 4. Zařízení podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že iniciační komora (3) je opatřena vnitřním pístem (9) situovaným ve směru podélné osy tělesa (1).

   -3CZ 21311 Ul
5. 5, Zařízení podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že rezonanční komora (4) je opatřena alespoň jednou přídavnou komorou (10), zabudovanou v radiálním směru vzhledem k toku kapaliny a vybavenou pomocným pístem (11).
6. 6. Zařízení podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že těleso (1) i 5 přídavné komory (10) j sou válcového tvaru.