CZ304314B6

CZ304314B6 - Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině

Info

Publication number: CZ304314B6
Application number: CZ2012-822A
Authority: CZ
Inventors: Václav Tesař
Original assignee: Ăšstav termomechaniky AV ÄŚR, v.v.i.
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2014-02-26
Also published as: EP2735362A1; CZ2012822A3

Abstract

Vynález se týká jednotky sloužící ke generaci malých bublin v kapalinách, využívající poznatku, že zvláště malé bubliny lze vytvářet, působí-li na výtok vzduchu z aerátoru periodické oscilace. Jednotka obsahuje v jednom kompaktním tělese aerátor i fluidický oscilátor bez pohyblivých součástek, v němž se k fázovému zpoždění využívá doba roztáčení víru ve vírové komoře, do níž může vzduch vstupovat z předkomůrky buď v radiálním, nebo tangenciálním směru.

Description

Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině

Oblast techniky

Předmětem vynálezu je jednotka tvořící součást zařízení, které vytváří v kapalině malé plynové bubliny z plynu přiváděného například potrubím nebo jinými dutinami. Bublinky jsou zapotřebí v celé řadě technologických procesů, zejména takových, při nichž přiváděný plyn má difundovat do kapaliny. Tak je tomu například při provzdušňování vody za účelem zvýšení jejího obsahu kyslíku. V tomto případě i v naprosté většině dalších případů je žádoucí, aby generované bubliny měly co možná nejmenší rozměry, neboť výsledný difúzní transport roste s velikostí plochy fázového rozhraní, tedy povrchu bublin. Tato celková plocha je tím větší, čím více se daný objem plynu rozdělí do velkého počtu malých bublin, tedy čím menší jsou výsledné bubliny. Navíc se uplatní to, že malé bubliny stoupají pomaleji směrem k hladině, čímž se prodlužuje doba, po níž transport z bubliny do kapaliny probíhá.

U mnoha průmyslových procesů bývá požadována velká celková hodnota difúzního transportu z plynu do kapaliny. V takovém případě se počítá s tím, že k dosažení velké celkové hodnoty bude použito většího počtu paralelně pracujících jednotek podle tohoto vynálezu.

Využití bublin v kapalině je běžné v řadě technických oborů a prakticky u všech může nalézt uplatnění možnost vytvářet výhodně bubliny mimořádně malé, jaké se právě dají generovat jednotkou podle vynálezu. K takovým oborům zejména patří úprava odpadních vod, výroba a recyklace papíru, separace různých materiálů flotací, produkce organických látek jako jsou kvasnice a zejména potenciálně velmi důležité pěstování jednobuněčných i složitějších rostlin jako jsou známé vodní řasy.

Dosavadní stav techniky

Nejjednodušším a nejčastěji používaným způsobem vytváření bublin je přivedení plynu do součástky označované jako aerátor. Tato součástka se vyznačuje velkým počtem malých otvorů na jedné straně napojených na společný přívod plynu a na druhé straně ústících do kapaliny. Kapalina bývá umístěna v nádrži a aerátor je v této nádrži ponořen pod její hladinu. Bubliny jsou pak tvořeny výtokem plynu z těchto malých otvorů aerátoru. Problémem je nestabilita tvorby bublin. Taje způsobena přímo základním zákonem, jímž se bubliny řídí. Podle tohoto zákona je rozdíl tlaku mezi plynem v bublině a okolní kapalinou nepřímo úměrný poloměru křivosti povrchu bubliny (zákon Youngův - Laplaceův). Jestliže jsou bubliny vytvářeny u ústí paralelních otvorů aerátoru a některá z těchto bublin se v důsledku náhodných vlivů zvětší (a tedy zvětší se i poloměr křivosti jejího povrchu), pak v této bublině bude tlak menší než v sousedních bublinách. Plyn proto bude proudit více cestou menšího odporu právě do této bubliny. Její rozměry tak nevyhnutelně rostou na úkor bublin současně se nacházejících u sousedních otvorů téhož aerátoru. Často se jejich tvorba v takovém případě vůbec zastaví. Zato rostoucí velká bublina běžně dosáhne značné velikosti, která není v žádném poměru k rozměrům výstupních otvorů aerátoru. I když jsou tedy ve snaze po zmenšení velikosti bublin voleny v aerátorech malé rozměry výstupních otvorů, vytváření velkých bublin popsaným nestabilním mechanismem se tím neovlivní. Jsou převážně generovány velké bubliny.

Byly hledány cesty k potlačení tohoto procesu a jednou ze slibných možností je řešení podle evropského patentu EP 2081666 (původci: Tesař V., Zimmerrnan W.). Podle tohoto patentu se působí na plyn přiváděný do aerátoru účinkem oscilací vytvářených fluidickým oscilátorem.

Fluidický oscilátor, o který se tam jedná byl dříve popsán v článku autorů Tesař V. Hung C.-H., Zimmerrnan W.: „No-Moving-Part Hybrid-Synthetic Jet Actuator“, Sensors and Actuators A, svazek 125, stránky 159-169, r. 2006. Tento oscilátor, jak je též uváděn ve spisu EP 2081666,

- 1 CZ 304314 B6 sestává z fluidického zesilovače rozváděcího typu, bez pohyblivých nebo deformovaných součástek, jenž je opatřen kanálkem zpětné vazby. Tento kanálek spojuje obě dvě řídicí trysky takového zesilovače. Do napájecí trysky zesilovače je přiváděn plyn, který z trysky vytéká jako plynový proud do prostoru, na jehož dvou protilehlých stranách jsou přídržné stěny. Uplatní se známý Coandův jev přilnutí plynového proudu k jedné s obou přídržných stěn. Plynový proud je u dané přídržné stěny držen účinkem podtlaku, který se projeví i v řídicí trysce na téže straně zesilovače. Tlakovým rozdílem mezi řídicími tryskami se vyvolá průtok kanálkem zpětné vazby. Tento průtok způsobí odtržení proudění od přídržné stěny. Průtok přilne k protilehlé přídržné stěně. Střídavými změnami tlaku v řídicích tryskách, způsobenými podtlakovými účinky tak dochází ke střídání výstupního průtoku zjednoho nebo druhého výstupního vývodu. Na tyto výstupní vývody jsou podle evropského patentu EP 2081666 připojeny, obvykle prostřednictvím spojovací hadice, aerátory nacházející se pod hladinou kapaliny. Jsou-li použity dva aerátory, pak jsou napojeny každý najeden ze dvou vývodů.

V dřívější patentové literatuře je popsána řada vynálezů využívajících účinky oscilací na vytvářené bubliny. Jedná se o uspořádání, v nichž se oscilačního účinku dosahuje působením pohyblivých nebo deformovaných součástek. Přestože se na jedné straně takto dosáhne malých rozměrů vytvářených bublin, na druhé straně s mechanickými pohyby nebo deformacemi je spojena řada nevýhod. Je nutné mazání ložisek, dochází k opotřebení kontaktních nebo těsnicích ploch, může dojít k prasknutí deformovaných součástek v důsledku únavy materiálu atp. To u fluidického oscilátoru odpadá. Zejména se fluidickým oscilátorem podle EP2081666 dosáhne dlouhá životnost, spolehlivost, nízká cena a možnost obejít se bez údržby.

Na druhou stranu se však postupem doby ukázalo, že i řešení podle patentového spisu EP 2081666 není bez některých nevýhod.

Vyplývá to zejména ze zjištěného poznatku, že žádoucí malý rozměr generovaných bublin se dosahuje zejména při nízkých frekvencích oscilací. Nízké frekvence oscilací jsou žádoucí i tam, kde je závislost velikosti bublin na frekvenci málo výrazná, a to proto, že energie vynaložená na generování každého oscilačního cyklu je přibližně stejná a pokud se cykly opakují s nízkou frekvencí, je výrazně nižší i potřebný příkon, tedy celkový energetický výdaj za jednotku času potřebný ke generování oscilací. Ovšem oscilátor popisovaný ve spisu EP 2081666 je právě vhodný pro vysoké frekvence oscilací. Frekvence je tam určena jednak hodnotou průtoku vzduchu (popřípadě jiného plynu), jednak délkou zpětnovazebního kanálku.

Uplatňují se následující nevýhody s tímto spojené.

a) Jsou-li průtoky voleny velmi nízké, je jednak množství generovaných bublin připadajících najeden oscilátor malé a zhoršuje se ekonomice generace bublin.

b) Avšak ještě významnějším faktorem je okolnost, že při malých průtocích a tedy nízkých Reynoldsovým číslech proudění prudce vzrůstají třecí ztráty v plynu. Ty mohou nabývat tak velkých úrovní, že při velmi nízkých frekvencích jsou procesy v zesilovači utlumeny a zesilovač ztrácí svoji funkční schopnost.

c) Při nízkých frekvencích oscilací vycházejí délky zpětnovazebných kanálků neúměrně dlouhé. Přímo ve spisu EP 2081666 je uveden příklad takové závislosti, kdy potřebná délka kanálku je 50 metrů a více. Takto dlouhé dutiny nemohou být zhotoveny spolu s dutinami zesilovače obvyklými metodami zhotovování zesilovačů, jako je řezání laserem nebo fotochemické postupy s vyleptáním dutin. Prakticky přichází v úvahu provést zpětnovazební kanál jako dlouhou hadici svými konci připevněnou k tělesu oscilátoru. Potřebné mnohametrové délky hadic jsou však mimořádně nepraktické. Oscilátor již není, jako při vysokých frekvencích, kompaktní jednotkou, ale je značně neskladný. V zařízeních musí být vytvořeny nebo nalezeny prostory, do nichž lze takové dlouhé délky hadic umístit. Zhotovení oscilátoru se prodraží o finanční náklady na ruční práci nezbytnou při připojování hadic a koncovek, kte-2CZ 304314 B6 rými se hadice připevňují. Žádné připojení není stoprocentně spolehlivé, nutnost uspořádání s připojenou hadicí je choulostivější neboť může dojít k porušení spoje například při manipulaci se zařízením.

d) Běžné levné materiály hadic, jako je například pryž, časem stárnou a ztrácejí svoji mechanickou pevnost. Je nutné obsluha spojená s výměnou hadic - neboje nutné volit kvalitnější a tím ovšem i dražší hadicové materiály.

e) Ve velmi dlouhých, i mnohametrových hadicích dochází nevyhnutelně ke značným třecím ztrátám přenášeného průtokového signálu. Je nutné o tuto ztrátu zvýšit pracovní tlak vzduchu (plynu) přiváděného do oscilátoru a to zvyšuje provozní náklady, neboť stlačený vzduch je velmi drahou komoditou.

Podstata vynálezu

Výše zmíněné nevýhody řeší uspořádání jednotky generátoru plynových bublin v kapalině napojené na přívod plynu do nádrže s kapalinou podle tohoto vynálezu.

Podstatou vynálezu je, že jednotka generátoru plynových bublin v kapalině, napojená na přívod plynu vedoucí do nádrže s kapalinou má přívodní kanál pro průtok přiváděného plynu rozvětvený na nejméně dvě souběžné dráhy z nichž každá tato dráha obsahuje šest za sebou zapojených součástí, a sice trysku, předkomůrku, vírovou komoru, centrální vývod, rozváděči dutinu a porézní stěnu otevřenou do nádrže s kapalinou, kde tryska směřuje svým ústím do předkomůrky a za tryskou ve směru průtoku je každá dráha v předkomůrce dále dělena na dvě alternativní cesty, tangenciální cestu a radiální cestu, obě směřující do vírové komory, přičemž radiální cesta vede u přídržné stěny směřující do centrálního vývodu, přičemž v místě rozdělení do souběžných cest u ústí trysky do předkomůrky je mezi tryskou a začátkem přídržné stěny zaveden do předkomůrky spojovací kanál vedoucí mezi první dráhou a druhou dráhou.

Podle vynálezu je účelné, aby jednotka generátoru plynových bublin v kapalině napojená na přívod plynu vedoucí do nádrže s kapalinou měla mezi předkomůrkou a rotačně symetrickou vírovou komorou vedeny jak tangenciální cestu tak radiální cestu jedním společným průchozím otvorem a předkomůrka má naproti přídržné stěně protilehlou stěnu jež je proti ní skloněna pod úhlem α větším než 16 stupňů a dále pak mezi protilehlou stěnou a vírovou komorou je umístěn vystupující nos.

Účelem této úpravy je zjednodušení výroby jednotky, zejména je-li tato zhotovena ze soustavy na sebe naskládaných desek s dutinami vytvořenými odběrem materiálu desky.

Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině může ale také mít dva průchozí otvory, které vedou do téže vírové komory, a sice jeden průchozí otvor pro tangenciální cestu a druhý pro radiální cestu kteréžto cesty jsou vytvořeny každá po jedné straně děliče.

Pokud se vyřeší výrobní ohledy, má tato alternativní úprava výhodu menších energetických ztrát, zejména v radiální cestě, neboť průtok uzavřeným kanálem vede k menší tlakové ztrátě než průtok, do něhož může být přisáván okolní plyn.

Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině může mít ve vírové komoře vodicí lopatku, tvarovanou do oblouku. Je prokázáno, že přítomnost vodicí lopatky má příznivý vliv na radiální průtok vírovou komorou.

Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině může též mít první dráhu a/nebo druhou dráhu rozdělenu do dvou nebo více souběžných cest, z nichž každáje napojena přes své obvodové předkomůrky do společné vírové komory.

-3 CZ 304314 B6

Tím, že se ve vírové komoře spolu sráží několik radiálních průtoků, zmenšuje se tlaková ztráta při průtoku vírovou komorou v režimu bez rotace.

Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině může mít, pokud jsou vyřešeny výrobní předpoklady, horní stěnu vírové komory a případně i spodní stěnu vírové komory, ve tvaru kuželu.

Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině podle tohoto vynálezu může být vytvořena z desek na sebe naskládaných, a sice obsahuje horní desku opatřenou výstupními otvory a pod ní kovovou tkaninu jejíž část povrchu tvoří porézní stěnu rozváděčích dutin kde k horní desce je připojena pod kovovou tkaninou umístěná dutinová deska, k níž je připojena přepážka obsahující centrální vývody, která je připojena na hlavní desku, ke které je připojena spodní deska a výhodně nosnou trubku připojenou na horní desku přičemž předkomůrka a vírová komora jsou vytvořeny v hlavní desce a rozváděči dutiny jsou vytvořeny v dutinové desce.

Zhotovení pracovních dutin v tělese jednotky metodou skládání z desek je nejjednodušší postup výroby složitě tvarovaných dutin v pevném tělese.

Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině může mít mezi výstupními otvory opěrné přepážky. Ty zmenšují mechanické namáhání kovové tkaniny vyvolané působením tlaku v plynu.

Pro výrobu jednotky generátoru malých plynových bublin v kapalině napojené na přívod plynu do nádrže s kapalinou podle vynálezu lze použít různé materiály a technologie, z nichž některé jsou zmíněny v následujících příkladech provedení jednotky podle vynález.

Výrobní postupy jsou limitovány požadavkem na dosti složité tvary vnitřních dutin. Jsou k tomu výhodné počítačem řízené zhotovování, jako je řezání laserem a počítačem řízené polymerizace. Materiálů, z nichž je přitom jednotka zhotovena se rovněž nabízí více, podmínkou je odolnost proti korozi a mechanickému namáhání. Výhodně lze použít nerezavějící ocel nebo plast. Nerezavějící ocel (odolná proti korozi) je namístě při řezání laserem, pro zmíněný „rapid prototyping“ s počítačem řízenou polymerizací to bude plast vytvořený polymerizací z kapaliny. Metody „rapid prototyping“ umožňují najednou vytvářet celé jednotky a vytvářet v nich i dutiny, nevýhodou je vyšší cena. Velmi výhodné je počítačem řízené řezání plochých desek laserem.

Uspořádání podle vynálezu dosahuje nového a vyššího účinku tím, že jej lze snadno vytvořit tak, že je neobyčejně kompaktní a má minimální prostorové nároky, neboť sdružuje v jednom pevném tělese, umístěném pod hladinou kapaliny v nádrži, jak oscilátor, tak dva aerátory na oscilátor bezprostředně navazující. Hlavní však je, že žádoucí nízké frekvence oscilací jsou dosaženy v důsledku postupného roztáčení vírového pohybu plynu ve vírových komorách v každém cyklu a poté zase nevyhnutelně nikoliv okamžitého zastavení rotace. Nejsou zde tedy žádná omezení a nevýhody jaké dosud vyplývaly z nezbytně dlouhých hadic zpětné vazby.

Nejčastějším využitím malých bublin generovaných jednotkou podle vynálezu je zpracování odpadních vod, které v podstatě provádějí bakterie - ale ty v odpadní vodě hynou pro nedostatek kyslíku, ten je malými bublinami bakteriím dodáván. Významné postavení má tvorba bublin i v procentech jako je oxidační ložení plutonia a americia, separace různých materiálů flotací, produkce jednobuněčných organizmů a řas jako základu potravního řetězce.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 - Horní deska jednotky v prvém z popisovaných příkladů provedení.

Obr. 2 - Pohled na první příklad provedení jednotky bez odebrané horní desky a kovové tkaniny.

-4CZ 304314 B6

Obr. 3 - Pohled na první příklad provedení jednotky se součástmi odebranými tak, že je vidět součást označovaná jako přepážka.

Obr. 4 - Pohled na nejdůležitější desku s dutinami prvého příkladu provedení.

Obr. 5 - Schematické znázornění jednotek ve všech příkladech provedení.

Obr. 6 a 7 - V šikmých perspektivních pohledech nakreslené trajektorie plynu ve dvou základních funkčních režimech.

Obr. 8 - Podstatné tvarové detaily hlavních částí prvého příkladu provedení.

Obr. 9 - Počítačovým řešením vyhodnocené proudění v dutinách prvního příkladu provedení.

Obr. 10 - Schematické znázornění průběhu tlaků podél obou drah proudění plynu jednotkou.

Obr. 11 - Alternativní provedení jednotky s děličem mezi radiální a tangenciální cestou do vírové komory.

Obr. 12 - Příklad provedení části jednotky zhotovené stereolitografií.

Obr. 13 - Jiný příklad provedení části jednotky zhotovené stereolitografií.

Obr. 14 - Příklad provedení části jednotky zhotovené selektivním laserovým sintrováním.

Obr. 15 - Příklad provedení části jednotky s vodicí lopatkou.

Obr. 16 - Vypočtené trajektorie plynu v předkomůrce a vírové komůrce příkladu s vodicí lopatkou.

Obr. 17 - Jiný příklad provedení s usnadněným výtokem z vírové komory v režimu bez rotace. Obr. 18 - Další alternativní příklad provedení vírové komory.

Obr. 19 - Opět jiné provedení vírové komory v jednotce.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Jednotka podle vynálezu v tomto příkladu provedení, znázorněná na obr. 1 až 4, je zhotovena metodu skládání desek do svazku, přičemž odběrem materiálu, odděleně provedeným v jednotlivých deskách, se dosáhne vytvoření v tělese jednotky potřebných dutin.

Jako u všech dále popisovaných příkladů funkce jednotky závisí na vyvolání oscilací v průtoku přiváděného plynu v dutinách vytvořených uvnitř tělesa jednotky. Je několik alternativních metod jak tyto dutiny zhotovit aby byly vytvořeny ne právě nejjednodušší tvary dutin. U metody svazku desek jsou dutiny zhotoveny odebráním materiálu známými postupy, jako je řezání laserem nebo elektrojiskrové obrábění. Takto opracované desky jsou pak naskládány na sebe a vzájemně spojeny. Spojení může být trvalé, například svařením, nebo rozebíratelné například jsou-li desky svazku vzájemně drženy prostřednictvím šroubů.

- 5 CZ 304314 B6

Konkrétní verze jednotky zobrazená na prvních čtyřech obrázcích je určena pro vytváření vzduchových bublinek v odpadní vodě při jejím zpracování - i když může být použita bez nějakých významnějších změn pro jiné kapaliny a jiné plyny. V zásadě je jednotka vytvořena z pěti pevných desek z nerezavějící oceli a navíc pak ještě z jemné kovové tkaniny (v daném případě utkané z drátů o průměru 40 pm), jejíž vnější tvar je shodný s vnějším tvarem všech desek ve svazku.

V tomto svazkuje tkanina sevřena mezi nejsvrchnější deskou a deskou umístěnou bezprostředně pod ní. Za provozuje celá jednotka zcela ponořena do odpadní vody aje držena seshora za nosnou trubku ii· Desky jednotky jsou při provozu drženy ve vodorovné poloze. Vnitřní dutina v nosné trubce 11 slouží jako přívodní kanál i, jímž je do jednotky přivádět stlačený vzduch který pak v podobě bublin vychází ze zmíněné kovové tkaniny do kolem se nacházející vody.

Vzájemná poloha všech desek je zajištěna lícovanými kolíky zaraženými do děr pro poziční kolíky 902, nacházejících se ve stejné poloze na každé z desek. Ve všech deskách je také devět děr pro šrouby 901. Jde v tomto případě o šrouby z nerezavějící oceli, které drží svazek desek pohromadě a pevně svírají kovovou tkaninu.

Horní deska 95 vymontovaná zjednotky je zobrazena na obr. 1. Nosná trubka 11 (z níž je na obr. 1 zachycen jen krátký kus) je k horní desce 95 přivařena. Kromě zmíněných devíti děr pro šrouby 901 a dvou děr pro poziční kolíky 902 je v horní desce 95 ještě čtrnáct výstupních otvorů 950 zhruba šestiúhelníkového tvaru. Zmíněná kovová tkanina pod horní deskou 95 tvoří v místech pod výstupními otvory 950 porézní stěnu 9a, b rozváděčích dutin 8a, b vytvořených v dutinové desce 94. Mezi výstupními otvory 950 jsou ponechány opěrné přepážky 951. Ty slouží k podepření kovové tkaniny a zabraňují jejímu poškození silovými účinky stlačeného vzduchu, přiváděných k tkanině zespodu.

Na obr. 2 je se svazku desek tvořících jednotku odebrána horní deska 95 a také kovová tkanina, takže lze dobře pozorovat dutinovou desku 94. Šrouby a poziční kolíky na těchto obrázcích nejsou kresleny, jsou zde jen průchozí otvory pro ně. V dutinové desce 94 jsou kromě děr pro spojovací součástky ještě dva velké otvory, vytvořeny najednou s ostatním odebíráním materiálu v jedné výrobní operaci - v tomto případě počítačem řízeným laserovým řezáním. Tyto velké otvory jsou ve tvaru šesticípých hvězdic se sraženými vrcholy. Tvoří vpravo první rozváděči dutinu 8a a vlevo druhou rozváděči dutinu 8b. V porovnání s obr. 1 vyplývá, že rozváděči dutiny 8a, 8b jsou právě každá pod jednou soustavou sedmi šestiúhelníkových výstupních otvorů 950. Vzduch z rozváděčích dutin 8a, b může proto dále postupovat pouze směrem vzhůru přes kovovou tkaninu podepíranou opěrnými přepážkami 95J_. Dále je ještě v dutinové desce 94 patrný kruhový otvor, jenž je částí přívodního kanálu i. Dole pak je propojovací kanálek 941, obloukovitě prohnutý.

Na následujícím obr. 3 je ze svazku desek tvořící jednotku odebrána i dutinová deska 94, takže je dobře vidět celou přepážku 93. Je to opět deska, tentokrát tenčí než ostatní, zhotovená z nerezavějící oceli. Má stejný obvodový tvar, jaký mají ostatní desky. V této přepážce 93 je kromě devíti děr pro šrouby 901 a dvou děr pro poziční kolíky 902 ještě celkem pět otvorů kruhového tvaru. Nahoře je patrný kruhový otvor, jenž je částí přívodního kanálu 1_. Vpravo je první centrální vývod 7a a vlevo je druhý centrální vývod 7b. Pak jsou zde ještě propojovací otvory 931, z nichž každý ve smontovaném stavu jednotky leží pod jedním koncem propojovacího kanálku 941 v dutinové desce 94.

Zbývá pak ještě odebrat také přepážku 93 a na následujícím obr. 4 se objeví nej důležitější ze všech desek, a sice hlavní deska 92. Pod tou pak je již jen spodní deska 91_, na níž není mnoho zajímavého, neboť má obvodový tvar zcela stejný jako ostatní desky 91, 92, 93 a 94 a nejsou v ní kromě nezbytných devíti děr pro šrouby 901 a dvou děr pro poziční kolíky žádné další otvory.

V hlavní desce 92 je nahoře dutina tvořící spolu se stejnolehlými kruhovými otvory ve všech výše ležících deskách část přívodního kanálu 1. Z něj se v hlavní desce 92 rozvětvují obě dráhy 2a, 2b. Vpravo vede první dráha pro průtok vzduchu do první podkomůrky 4a a do první vírové

-6CZ 304314 B6 komory 6a. Na druhé straně jsou obdobně na přívodní kanál I napojené za sebou druhá předkomůrka 4b a druhá vírová komora 6b. Porovnáním s obr. 3 je patrné, že vzduch může odtékat z první vírové komory 7a prvním centrálním vývodem 7a v přepážce 93 a podobně z druhé vírové komory 6b druhým centrálním vývodem 7b. Do vtokových partií obou předkomůrek 4a, b ústí konce spojovacího kanálu 20. Ten je rozdělen do dvou v zásadě souběžných částí, které dole končí v místech, kde má přepážka 93 propojovací otvory 931. Tyto otvory umožňují spolu s propojovacím kanálkem 941 v dutinové desce 94 spojení spojovacího kanálu 20 do jediného průběžného celku, aniž by se v některé z desek vytvořily „ostrůvky“ které by z vyráběných desek vypadly a bylo by je nutné dodatečně do tělesa oscilátoru montovat a polohovat, což je manuální operace, která by ovšem výrobu prodražila.

V hlavní desce se dráhy 2a, 2b protékajícího vzduchu dále větví. V některých jiných příkladech provedení mohou pro takto vytvořenou tangenciální cestu 5a a alternativní radiální cestu 5b být vytvořeny navzájem oddělené dva kanálky. Obě cesty 5a, 5b nemohou být využívány současně a tak v příkladu na obr. 4 obě cesty 5a, 5b procházejí toutéž dutinou předkomůrky 4a, 4b. Obě cesty, tangenciální cesta 5a i radiální cesta 5b vedou ovšem do vírové komory 6a, 6b, ale jsou odlišné a každá tam vede jinak. Na obr. 4 je v první předkomůrce 4a naznačena první tangenciální cesta 5aa. Ta vede do první vírové komory 6a ve směru tečny a vyvolává tam tak rotaci vzduchové náplně. Naopak ve druhé předkomůrce 4b je naznačena tam právě protékaná druhá radiální cesta 5bb. Ta vede do druhé vírové komory 6b ve směru jejího poloměru.

Pro popis a vysvětlení funkce jednotky podle vynálezu je užitečné velmi zjednodušené schematické znázornění průtoku vzduchu vjednotce, jak je uvádí obr. 5. Je tam v podstatě naznačena topologická struktura jakou mají všechna provedení jednotek podle vynálezu. Svislé čáry označují některá důležitá místa. Na levé straně obrázku je přívodní kanál i pro vstup plynu do jednotky. Plyn jednotkou prochází tak, že na obr. 1 jde o průchod z levé strany obrázku na pravou. Na pravé straně obrázku jsou pak naznačena dvě místa, jimiž plyn vystupuje to nádrže s kapalinou a tvoří tam požadované malé bubliny. Děje se tak při průchodu vzduchu přes první porézní stěnu 9a první rozváděči dutiny 8a na jedné straně - a přes druhou porézní stěnu 9b druhé rozváděči dutiny 8b na straně druhé. K tomuto vytváření bublin nedochází současně, ale první porézní stěna 9a a druhá porézní stěna 9b se ve své úloze během každé oscilační periody navzájem střídají. Aby se mohly během každého oscilačního cyklu ve své funkci střídat, jsou porézní stěny 9a, 9b umístěny na koncích dvou souběžných drah, do kterých se přívodní kanál 1 na levé straně rozvětvuje. Na obr. 5 nahoře je to první dráha 2a, kdežto pod ní je druhá dráha 2b.

Obě dráhy, první dráha 2a i druhá dráha 2b, za tímto rozvětvením procházejí tryskami, a sice první dráha 2a prochází první tryskou 3a zatímco druhá dráha 2b prochází druhou tryskou 3b. Tyto trysky 3a, 3b ústí každá do jedné předkomůrky, a sice první tryska 3a do první předkomůrky 4a kdežto druhá tryska 3b do druhé předkomůrky 4b. Na začátku obou předkomůrek dochází k dalšímu větvení. V první dráze 2a je první místo rozdělení 10a nahoře na obrázku a obdobně jenže dole je ve druhé dráze 2b druhé místo rozdělení 10b. Následující dvě možné cesty pro plyn v každé dráze 2a, 2b mají různé účely a plyn, jak bylo výše uvedeno, jimi neprochází současně. Obr. 5 naznačuje fázi oscilačního cyklu, ve které jsou nevyužívané cesty naznačeny přerušovanou čarou.

V daném okamžiku plyn procházející první dráhou 2a sleduje první tangenciální cestu 5aa přes první předkomůrku 4a a na ni potom navazující první vírovou komoru 6a. Neprochází první radiální cestou 5ba. Ve druhé dráze 2b je tomu opačně. Tam plyn procházející druhou dráhou 2a sleduje radiální cestu přes druhou předkomůrku 4b a na ni pak navazující druhou vírovou komoru 6a. Ve vírových komorách se tangenciální cesty 5aa, 5ab a radiální cesty 5 ba, 5bb spolu spojují, takže například z první vírové komory 6a vystupují společným prvním centrálním vývodem 7a do navazující první rozváděči dutiny 8a. Zcela podobně se v dolní části obrázku obě cesty 5ab, 5bb spolu setkávají ve druhé vírové komoře 6b odkud vystupují společným druhým centrálním vývodem 7b do druhé rozváděči dutiny 8b. Odtud plyn vystupuje přes první porézní stěnu 9a do nádrže s kapalinou, kde se tvoří bubliny. Obdobně druhou porézní stěnu 9b do téže nádrže s kapalinou vytéká plyn ze druhé rozváděči dutiny 8b. Přilnutí proudu plynu ke druhé přídržné stěně 14b naznačené ve druhé dráze 2b - a absence takového přinutí v první dráze 2a - jsou řízeny stří-7 CZ 304314 B6 davým průtokem ve spojovacím kanálu 20 a výtoku z tohoto kanálu druhým ústím 13b. Rozhodující pro směr průtoku ve spojovacím kanálu 20 jsou tlakové poměry v dutinách jednotky.

Na dvou následujících obrázcích obr. 6 a obr. 7 jsou zachyceny ve stejných perspektivních pohledech počítačovým řešením získané průběhy trajektorií částic plynu ve dvou základních funkčních režimech proudění v předkomůrce 4a, 4b a na ní navazující vírové komoře 6a, 6b. Jsou to situace, kdy na obr. 6 plyn prochází tangenciální cestou 5a kdežto na obr. 6 sleduje radiální cestu. Výpočty byly provedeny pro detailně studovaný případ v planámím provedení, tedy se všude stejnou hloubkou dutin rovnou 4 mm a průměrem vírové komoru 6a, 6a rovným 70 mm. Šířka ústí trysky 3a, b je u tohoto případu rovna 2,56 mm. V původním výsledku výpočtů byly nakreslené trajektorie zbarveny tak, že lokální barva odpovídala lokální velikosti tlaku v plynu podle stupnice v levé části obrázků. Na přiložených obrázcích převedených do ve stupnice šedi nemá toto zbarvení tak velkou informační hodnotu, nicméně lze přesto rozeznat charakter proudění. V obou případech byl výpočet proveden pro hodnotu napájecího tlakového spádu

AP_S = 9 000 Pa v přívodním kanálu I těsně před tryskou 3a, b oproti atmosféře - viz obr. 2. V případě na obr. 5, kdy vzduch vstupuje do první vírové komory 6a tangenciální cestou 5a je tangenciálním nasměrováním daným tvarem nosu 46 vyvolána v první vírové komoře 6a intenzívní rotace. Obtížnost průtoku první vírovou komorou 6a je patrná z toho, jak na obr. 5 plyn - kterým v případě výpočtů byl vzduch - mnohokrát obíhá kolem středu první vírové komory 6a než může vstoupit do prvního centrálního vývodu 7a.

Když však vzduch po opuštění druhé trysky 3a přilne ke druhé přídržné stěně 14b jako je tomu na obr. 7, je směrován přímo do druhého centrálního vývodu 7b. I když se očekávání snadného průtoku nesplnilo úplně (neboť vypočítané trajektorie na obr. 7 ukazují, že vstup do kolmého směru není snadný a vzduch ještě oběhne zhruba polovinu druhé vírové komory 6b než se dostane do druhého centrálního vývodu 7b), přeci jen jde o proudění s relativně malou tlakovou ztrátou. Rozdíl tlaku mezi druhým ústím 13b a atmosférou AP_b je dokonce záporný. Je to možné díky tomu, že po průtoku druhou tryskou 3b je velká část specifické energie plynu přeměněna na energii kinetickou a to právě na úkor energie tlakové.

V následujícím obr. 8 jsou naznačeny na části první dráhy 2a sestávající z první trysky 3a, první předkomůrky 4a a první vírové komory 6a některé nejdůležitější charakteristiky planární geometrie, k nimž se dospělo prováděnými výpočty s různými úpravami tvarů. Je zde především naznačeno, že má-li docházet v první předkomůrce 4a k tomu, aby na jejím vstupu bylo skutečně první místo rozdělení 10a do první tangenciální cesty 5aa a první radiální cesty 5ba, pak je nutné, aby byl značně velký úhel a který spolu svírají první přídržná stěna 14a a první protilehlá stěna 15a. Pokud by tento úhel byl menší než 16 stupňů, nedošlo by k odtržení proudění a tedy k požadovanému vytvoření proudu. Úspěšné výsledky na obr. 6 a 7 byly dosaženy s dokonce dvojnásobně velkou hodnotou, než je tento obecně uznávaný limit: úhel a byl 32°. Dalším významným faktorem bylo, že v tomto případě rovinná první přídržná stěna 14a musela být orientována tak, aby prodloužení 214 jejího konce právě směřovalo do středu první vírové komory 6a. Podstatné je také správné tvarování prvního nosu 46a, vhodná šířka prvního průchozího otvoru 146a (který byl roven pěti šířkám ústí první trysky 3a) a správné směrování první radiální cesty 5ba je též závislé na vytvoření mělkého vybrání 206.

Dále následujícím obr. 9 je demonstrována asymetrie charakteru proudění v dutinách, které jsou tvarově vůči ose symetrie 100 souměrné. Je tam zobrazen vypočítaný charakter proudění v dutinách hlavní desky 92 v určité extrémní situaci, jaká nastane jednou za každý oscilační cyklus. Podobně jako na předchozích dvou obrázcích 6 a 7, i zde v dutinách hlavní desky 92 jsou opět numerickým řešením proudění vypočítány trajektorie částic plynu a zbarveny podél trajektorie postupně se měnícími odstíny šedi reprezentujícími okamžité místní hodnoty tlaku v plynu podle

-8CZ 304314 B6 stupnice nacházející se v levé části obrázku. Obě dráhy 2a, 2b jsou opět napájeny vzduchem o stejném tlaku

AP_S = 9 000 Pa v přívodním kanálu i oproti atmosféře.

Na následujícím obrázku obr. 10 jsou schematicky naznačeny tlakové poměry u obou cest v jednotlivých částech jednotky. Ve vodorovném směru jsou tam vyznačeny jednotlivé dutiny, jimiž plyn postupně prochází. Na svislé oseje pak naznačena velikost přetlaku ΔΡ v jednotlivých místech jednotky, a sice přetlaku měřeného oproti tlaku v okolní atmosféře, do níž v tomto případě vzduch porézními stěnami 9a, 9b vytéká. Oba průběhy jsou na obr. 10 nakresleny přes sebe, aby vznikly rozdíly mezi nimi. Naznačena je situace z obr. 9, kdy první dráha 2a vede první tangenciální cestou 5aa přes první předkomůrku 4a a na ni navazující první vírovou komoru 6a. Proudění je vyvoláno tlakovým sádlem AP_S mezi přívodním kanálem i a atmosférou. Tentýž tlakový spád ovšem vyvolá i průtok druhou dráhou 2b a tam pak druhou radiální cestou 5bb (viz též obr. 5). Různé tlakové průběhy ve směru proudění závisejí jednak na tom, kolik plynu danou dráhou 2a, 2b právě protéká, ale zejména závisí na přítomnosti nebo nepřítomnosti rotace ve vírových komorách 6a, 6b. Tak například obě trysky 3a, 3b jsou tvarově zcela shodné, ale na obr. 9 první cestou 2a protéká méně plynu a proto je naznačen na této trysce menší tlakový spád. Současně druhou cestou 2b protéká více plynu je proto na obr. 10 naznačen na této trysce tlakový spád větší. Naproti tomu v první vírové komoře 6a ve zde naznačené situaci plyn rotuje - viz obr. 9 - a s tím je spojen větší tlakový spád (odpovídající přímka pro první dráhu 2a na obr. 10 klesá strmějí). V předkomůrkách 4a, 4b jsou na obr. 10 naznačeny malé vzrůsty tlaku. Je to proto, že v místech rozdělení 10a, 10b je za ústím trysek 3a, 3b značná část energie plynu ve formě energie kinetické. Zejména ve druhé dráze 2b, kterou protéká více plynu vyšší rychlostí, je pokles tlaku v důsledku přeměny v kinetickou energii tak velký, že tlakový spád AP_b vůči atmosféře je dokonce záporný. Podstatné je, že mezi oběma ústími 13a, 13b na koncích spojovacího kanálu 20 obr. 10 naznačený tlakový spád APj. Ten způsobuje průtok plynu spojovacím kanálem 20. Zatímco v prvním ústí 13a spojovacího kanálu 20 je jako na obr. 6 přetlak oproti atmosféře

AP_a = 7 509 Pa

- pak v případě zachyceném na obr. 7 jde o podtlak

AP_b = -1 790 Pa.

Celkový rozdíl mezi tlaky na koncích spojovacího kanálu 20, je tedy rozdíl

APj = AP_a - AP_b = 9 300 Pa.

Je to tedy tento tlakový rozdíl, který vyvolá proudění ve spojovacím kanálu 20. Významnou okolností je, že uvedená hodnota APj je dokonce větší, než je výše uvedený napájecí přetlak AP_S. To je příznivá okolnost, neboť díky tomu se zvětšuje intenzita proudění spojovacím kanálem 20.

Jak bylo uvedeno, přestože tvary dutin protékaných jako první cesta 2a a druhá cesta 2b jsou zcela souměrné vzhledem k ose symetrie 100, proudění v těchto dutinách symetrické není a to zejména proto, že odlišné tangenciální a radiální směry vtoku do vírových komor 6a, 6b v nich způsobují odlišný děj. Zatímco vpravo vzduch rotuje v první vírové komoře 6a, dole ve druhé vírové komoře 6b se vzduch relativně snadno dostává do středu komory a odtud pak ven (i když v tomto případě určité množství ve druhé vírové komoře 6b obíhá, než může vstoupit do druhého centrálního vývodu 7a - jsou to však dva protisměrné oběhy a s nimi není spojen tak velký tlakový spád, jako při rotaci v první vírové komoře 6a na obr. 9). Jak vyplynulo z výpočtů na obr. 6 a obr. 7 je tento odlišný charakter proudění ve vírových komorách 6a, 6b spjat s vytvořením tlako-9CZ 304314 B6 vého rozdílu mezi prvním ústím 13a a druhým ústím 13b. V důsledku tlakového rozdílu mezi oběma konci spojovacího kanálu 20 dojde v situaci nakreslené na obr. 9 k proudění tímto spojovacím kanálem 20, a sice od prvního ústí 13a a vyšším tlakem do druhého ústí 13b, kde je tlak nižší. Odtok vzduchu od prvního místa rozdělení 10a do spojovacího kanálu 20 způsobí v první předkomůrce 4a, že proud vzduchu přestane být vychylován a přestane sledovat tangenciální cestu 5a. Naproti tomu výtok vzduchu ze spojovacího kanálu 20 do druhého místa rozdělení 10b z druhého ústí 13b způsobí odtržení proudu od druhé přídržné stěny _14b. Vzduch tam pak přestane sledovat radiální cestu 5b. Záměnou tangenciálního a radiálního směru vtoku do vírových komor 6a, 6b si první dráha 2a a druhá dráha 2b zamění svoje úlohy. Nenastane to však hned. Vírový pohyb v první vírové komoře 6a má snahu si svůj rotační pohyb zachovávat. Naproti tomu roztočení vírového pohybu ve druhé vírové komoře 6b nějaký čas trvá. Dochází tedy ke zpoždění vzájemné záměny tangenciálního a radiálního směru vtoku do vírových komor 6a, b. Když ovšem nakonec k této záměně dojde, ustaví se zase opačné tlakové poměry mezi ústími 13a, b. To ovšem potom zase způsobí obrácení směru proudění ve spojovacím kanálu 20. V jeho důsledku proběhne potom obrácený než výše popsaný děj. Na jeho konci se poměry navrátí do výchozího stavu a tak se tyto změny pak mohou periodicky opakovat.

Změny tlakových spádů na vírových komorách 6a, 6b způsobí i střídavé změny průtoků vzduchu v první rozváděči dutině 8a a druhé rozváděči dutině 8b. Vždy v té dráze 2a, 2b kde ve vírové komoře 6a, 6b dochází k rotaci je průtok vzduchu mnohem menší (neboť je obtížné protékat vírovou komorou 6a, 6b proti odstředivým silám uplatňujícím se při rotaci). Tyto pulzace průtoků a tlaku vedou k ovlivnění tvorby bublin na porézních stěnách 9a, 9b. Na rozdíl od dosud známého řešení problému nízkých frekvencí oscilací podle patentového spisu EP 2 081 666 dlouhými hadicemi zpětné vazby zde při využití časových zpoždění ve vírových komorách 9a, 9b nejsou žádné hadice s délkou řádu metrů, a proto je jednotka podle vynálezu velice kompaktní a provozně výhodná.

Příklad 2

Na dále následujícím obr. 11 je naznačeno možné alternativní uspořádání předkomůrky 4a, 4b. Vzhledem ke zmíněné symetrii tvarů se obrázek soustřeďuje jen na první dráhu 2a pro průtok vzduchu. Pouze naznačena je i část obdobně provedené (souměrné podle osy symetrie 100, obr. 8) druhé dráhy 2b. Tak jako na obr. 4 jde i v tomto příkladu provedení o zase o planární konfiguraci, jaká by mohla být vytvořena například v desce konstantní tloušťky tím, že by byly do ní například laserem vyřezány dutiny. Svrchu i zespodu je pak ovšem taková deska překryta vhodnými krycími deskami, aby protékající plyn neunikal z dutin (tedy nahoru a dolu mimo desku). Uspořádání je podobné předchozímu na obr. 8 v tom, že i zde je vlevo přívodní kanál i a od něj vpravo je rozvětvení dvou souběžných drah - kde na obr. 10 je nahoře první dráha 2a kdežto druhá dráha 2b zde směřuje dolů aje zde nakreslena jen její malá část. Obě dráhy, první dráha 2a i druhá dráha 2b procházejí tryskami, a sice první dráha 2a první tryskou 3a kdežto druhá dráha 2b prochází druhou tryskou 3b. Trysky ústí každá do jedné předkomůrky, a sice první tryska 3a do první předkomůrky 4a kdežto druhá tryska 3b do druhé předkomůrky 4b. Vpravo od první předkomůrky 4a je pak první vírová komora 6a. z níž potom plyn vystupuje prvním centrálním vývodem 7a. Z první předkomůrky 4a vedou do první vírové komory 6a dvě cesty, jednak první radiální cesta 5ba jednak první tangenciální cesta 5aa. Významnou okolností je, že v každé předkomůrce 4a, 4b je přídržná stěna: v první předkomůrce 4a je to první přídržná stěna 14a, kdežto ve druhé předkomůrce 4b je to druhá přídržná stěna 14b. K těm může proudění přilnout mechanismem známého Coandova jevu. První radiální cesta 5ba navazuje bezprostředně na první přídržnou stěnu 14a. Přídržné stěny 14a, 14b navazují bezprostředně každá na směr ústí svojí trysky 3a, 3b což usnadňuje přilnutí plynového proudu vytvořeného výtokem z odpovídající trysky. Máli dojít v první vírové komoře 6a k rotaci, musí plyn proudit první tangenciální cestou 5aa. To znamená, že proud plynu musí být odkloněn od první přídržné stěny 14a do první tangenciální cesty 5aa a to dosáhne výtok plynu ze spojovacího kanálu 20. Tento výtok je vyvolán tlakovým spádem ΔΡ| popsaném v souvislosti s obr. 10. Tento spád působí na proud vytékající z první trys- 10CZ 304314 B6 ky 3a a vychýlí jej do požadovaného odkloněného směru. Uspořádání s děličem 50 mezi tangenciální cestou 5a a radiální cestou 5b má tu vlastnost, že přímý směr proudění v tangenciální cestě 5a vede k menším hydraulickým ztrátám než vedení zakřivenou stěnou a nosem 46 se značně prudkou změnou směru. Nicméně právě v tomto případě není menší ztráta výhodou, neboť při odpovídajícím průtoku s rotací ve vírové komoře 6a, 6b je požadována co možná velká tlaková ztráta. Ostatně uspořádání s nosem 46 bez děliče 50 má i výhodu po výrobní stránce v případech provedení založených na svazku na sebe naskládaných desek: při řezání kontur dutin (např. již zmíněným laserem) nevzniká součástka (jakou je na obr. 10 dělič 50) kterou by bylo nutné dodatečně do tělesa oscilátoru montovat a polohovat, což by zdražilo výrobu jednotky. Je tedy příklad z obr. 11 méně výhodný aje zde uveden jen pro úplnost výčtu možností.

Příklad 3

V nedávné době bylo vyvinuto několik výrobních metod známých souhrnně jako trojrozměrný tisk nebo též „rapid prototyping“. Ty nabízejí zajímavé alternativy ke zhotovování jednotky podle vynálezu výše popsanou metodou odebírání materiálu z desek poté naskládaných na sebe. U těchto nových metod je naopak do stěn dutin materiál postupně přidáván v počítačem řízeném procesu. Typickým příkladem je např. stereolitografie, u níž jsou stěny dutin postupně vytvářeny z kapaliny, která ztuhne v místech aktivovaných laserem. Jinou známou možností je selektivní sintrování, kdy jsou stěny vytvářeny z prášku postupně ve vrstvách nanášených, kdy jdou částice prášku zafixovány natavením v požadovaných místech laserovým ohřevem.

U příkladu provedení jednotky podle vynálezu, zobrazeném částečně na obr. 12 je k výrobě použita stereolitografie. Získá se výhoda větší volnosti, pokud jde o volbu tvarů vnitřních dutin uvnitř jednotky. Jinak celková konfigurace i způsob funkce odpovídají popisu u obr. 5. Konkrétním řešeným problémem je dosažení velmi malého tlakového spádu na vírové komoře 6a, 6b pokud do ní vzduch vstupuje radiální cestou 5ba, 5bb. Jak je ukázáno na výsledcích výpočtů zakreslených na obr. 7 a také i obr. 9, setrvačnost plynu způsobuje, zeje obtížné aby po radiálním vtoku do vírové komory 6a, 6b a dosažení jejího středu se prudce změnil směr proudění o 90° potřebných ke vstupu do centrálního vývodu 7a, 7b. Dochází ke složitému proudění, které obr. 7 dobře ukazuje. Složitý charakter proudění ovšem nežádoucím způsobem zvětšuje tlakové ztráty na vírové komoře 6a, 6b. Volnost tvarování, umožněná stereolitografií, umožňuje v tomto příkladu provedení tyto hydraulické ztráty snížit. Dává možnost takového tvarování vírových komor 6a, 6b, že potřebná změna směru ke vstupu do centrálního vývodů 7a, 7b je menší než zmíněných 90°.

Obr. 12 ukazuje část první cesty 2a jednotkou zahrnující první předkomůrku 4a a první vírovou komoru 6a. Dutiny jsou na obr. 12 znázorněny v myšleném řezu meridiální rovinou vedeném tělesem jednotky. Je zřejmé, že na rozdíl od vírových komor 6a, 6b ve tvaru plochého disku jako u příkladů na obr. 4 a obr. 10, v tomto příkladu provedení má první vírová komora 6a kuželový tvar s průměrem postupně se zmenšujícím směrem k vrcholu kuželu. V režimech bez rotace v první vírové komoře 6a je podle obr. 12 nutný úhel změny směru pro vstup do prvního centrálního vývodu 7a roven 45° na místo výše uvedeného úhlu 90°. Taková menší změna směru je snazší aje spojena s menší hydraulickou ztrátou, což vede k žádoucí větší hodnotě tlakového rozdílu APj, který způsobuje proudění ve spojovacím kanálu 20.

Ovšem výrobní metody jako stereolitografie a jiné, kolektivně zvané „rapid prototyping“ nemusejí být všeobecně dostupné, mohou být finančně náročné a popřípadě jejich speciální požadavky na charakter materiálu stěn nemusejí být vhodné z hlediska provozních vlastností jednotky. V takovém případě lze i obdobně složitěji tvarované vnitřní dutiny jako jsou na obr. 12 zhotovovat klasickým odléváním s použitím známé techniky „ztraceného vosku“.

- 11 CZ 304314 B6

Příklad 4

V následujícím příkladu je volnost tvarování umožněná stereolitografickými postupy využita ještě více. Opět celková konfigurace jednotky odpovídá schématu z obr. 5 a část znázorněná na obr. 13 zase ukazuje myšlený řez tělesem jednotky v místech, kde je kde je první předkomůrka 4a a první vírová komora 6a. Rozdíl je ve tvarování prvního centrálního vývodu 7a. Ten zde není souosý s osou vírové komory 101, jako tomu bylo na obr. 12, aleje skloněn a to tak, že znázorněným celkem prochází první radiální cesta 5ba beze změny směru. V režimu kdy vzduch proudí první tangenciální cestou 5aa je proudící vzduch směrován nosem 46 tak, aby vstupoval do první vírové komory 6a tangenciálně, jak je to znázorněno zakreslenou trajektorií se šipkami. Podmínky za rotace vzduchu v první vírové komoře 6a se pak v zásadě neodlišují od podmínek v ploché válcové komoře popsaných v souvislosti s obr. 4 a obr. 9. I zde rotace způsobuje nutnost překonávat odstředivé účinky - a skloněné tvarování prvního centrálního vývodu 7a přitom dělá průtok ještě obtížnější a celkový tlakový spád vyšší. Na druhou stranou ovšem přímý směr průtoku při sledování první radiální cesty 5ba způsobuje žádoucí mnohem menší tlakový spád.

Příklad 5

Metoda výroby složitých tvarů selektivním laserovým sintrováním z prášku umožňuje zhotovit nejen objekt s pevnými nepropustnými stěnami, ale určité vybrané partie výrobku umožňuje zhotovit jako průlinčité, s drobnými póry. Je to využito v příkladu provedení na následujícím obr. 14, kde souběžně se zhotovováním stěn všech dutin v jednotce jsou vytvořeny i porézní stěny 9a, 9b rozváděčích dutin 8a, 8b. Na obr. 13 je první porézní stěna 9a vyklenuta směrem dovnitř první rozváděči dutiny 8a. To umožňuje udělat první porézní stěnu 9a tenčí a tím snadněji prostupnou pro jí procházející vzduch, aniž by tato stěna byla příliš mechanicky namáhána v tahu silovými účinky tlakového vzduchu v první rozváděči dutině 8a. První porézní stěna 9a vyklenutá proti působícímu tlakovému spádu je tak hlavně namáhána nikoliv tahovým napětím ale tlakovým mechanickým napětím, které méně pevné sintrované porézní stěny lépe snášejí.

Příklad 6

Usnadnění výroku centrálním vývodem 7a, 7b v režimu radiálního vtoku do vírové komory 6a, 6b mohou dosáhnout některé tvarové úpravy. Tak na obr. 1 5 je příklad provedení, u kterého je v malé radiální odlehlosti od centrálního vývodu 7a, 7b upevněna vodicí lopatka 16 sahající přes celou výšku dutiny vírové komory 6a, 6b. Má prohnutý tvar souhlasící s průběhem trajektorií ve vírové komoře 6a, 6b při rotaci, jak jsou zachyceny na obr. 6. Má také velmi malou tloušťku, takže se za ní ve směru proudění nevytváří nějak výrazný úplav. To znamená, že při režimu rotace ve vírové komoře 6a, 6b se vodicí lopatka 16 prakticky vůbec neuplatňuje. Zato při vtoku radiální cestou 5ba, 5bb do vírové komory 6a, 6b zabraňuje vodicí lopatka J_6 tomu, aby plyn mohl dospět až k protilehlé stěně vírové komory 6a, 6b jako je tomu na obr. 6 nebo 7. Plyn je tedy přinucen vstoupit do centrálního vývodu 7a, 7b. Je to prokázáno výpočtem, jehož výsledky jsou zachyceny na obr. 16. I když je tam poněkud jiný šikmý perspektivní pohled na proudění (volený proto, aby byla zřetelně patrná vodicí lopatka 16) jde o zcela stejný režim jako na obr. 7. Zobrazené trajektorie plynu na obr. 16 ukazují, jak je plyn skutečně donucen vstoupit do centrálního vývodu 7a, 7b. Výsledné zmenšení ztrát ve druhé vírové komoře 6b jsou patrné z vypočtené hodnoty na tlakovém spádu

AP_b = -2 690 Pa, která je výrazně nižší než AP_b = -1 790 Pa za jinak stejných podmínek bez vodicí lopatky 16 na obr. 7.

- 12 CZ 304314 B6

Příklad 7

Jinou možnost jak přimět plyn změnit směr v tomto případě ve středu první vírové komory 6a a donutit vstoupit do prvního centrálního vývodu 7a ukazuje obr. 17. Namísto jediné první předkomůrky 4a uvažované u dosud popsaných alternativ je zde větší počet obvodových předkomůrek rozmístěných po obvodu první vírové komory 6a tak, že se výtoku z jejich prvních radiálních cest 5ba srážejí. Na obr. 17 jsou to první obvodová předkomůrka 4a 1 vlevo nahoře, druhá obvodová předkomůrka 4a2 vlevo dole, třetí obvodová předkomůrka 4a3 vpravo nahoře a konečné čtvrtá obvodová předkomůrka 4a4 vpravo dole. Všechny jsou stejné, takže stagnační bod kolise proudů je právě ve středu první vírové komory 6a. V tomto bodu se proudění zastavuje a odpadá tak problém se setrvačností rychle proudícího plynu, jež brání ve změně směru do prvního centrálního vývodu 7a.

Příklad 8

V dalším příkladu uspořádání na obr. 18 je naznačeno provedení první vírové komory 6a s velkým počtem předkomůrek na obvodě, který v principu odpovídá provedení blízkému předchozímu obr. 17. U provedení naznačeného na obr. 18 je však celkový počet předkomůrek šestnáct, ovšem obrázek zachycuje pouze jednu polovinu oddělenou myšleným řezem vedeným meridiální rovinou. Všechny přívody vzduchu do šestnácti prvních trysek 3a jsou zde spojeny do jediné mezikruhové dutiny první dráhy 2a. Těleso, v němž na obr. 17 jsou vytvořeny obvodové předkomůrky 4al, 4a2, 4a3, 4a4 se tak nyní na obr. 18 rozpadá do celkem šestnácti tělísek 1000. Každé tělísko 1000 má první přídržnou stěnu 14a k níž po výtoku s prvních trysek 3a přilnou první radiální cesty 5ba směřující do prvního centrálního vývodu 7a. Také má každé tělísko 1000 první protilehlou stěnu 15a jejíž konec směřuje tangenciálně do dutiny první vírové komory 6a. Protože se ve středu první vírové komory 6a se v režimu bez rotace sráží celkem šestnáct dostředných proudů (z nichž je na obr. 18 nakreslen jako silná bílá čára jen jeden jejich representant), je zajištěna symetrie proudění a malá hydraulická ztráta v tomto režimu. Jakmile dojde k výtoku z prvních ústí 13a, proudění se od prvních přídržných stěn 14a odtrhne a sleduje první protilehlé stěny 15a skloněné podobně jako tangenciální cesta 5a na obr. 6. Ty jej směrují tangenciálně a vzhledem k velkému počtu obvodových přítoků se tak dostává příznivě symetrické rotační proudění s velmi velkou ztrátou.

Má tedy první vírová komora 6a všechny předpoklady pro vysokou účinnost, tedy najedné straně velmi malý tlakový spád na ní v režimu radiálního proudění a na druhé straně naopak vysokou tlakovou ztrátu při rotačním proudění. Jediná její nevýhodná vlastnost v tomto provedení je velký průměr, zejména se soustavou tělísek 1000 na jejím obvodě a s ještě dále od středu se nacházející mezikruhovou dutinou pro rozvod vzduchu do prvních trysek 3a.

Příklad 9

V některých aplikacích je kompaktnost uspořádání velmi důležitou předností. Řešením může být uspořádání na obr. 19. V podstatě funguje zcela shodně jako příklad z obr. 18. Odlišnost je v tom, že radiální uspořádání tělísek 1000 je nahrazeno axiálním uspořádáním. Jako u jiných výše popsaných příkladů, obr. 19 ukazuje jen jednu ze dvou identických resp. navzájem symetrických částí jednotky.

Na levé straně obr. 19 je axiálně směrovaná první dráha 2a pro průtok vzduchu, který je přiváděn zprava a posléze odchází ve stejném axiálním směru napravo. Dlouhý kuželový difuzor na této výstupní (pravé) straně zlepšuje funkční vlastnosti popisovaného ústrojí a má roli prvního centrálního vývodu 7a z první vírové komory 6a, která je zde plochého válcového tvaru. První rozvá- 13 CZ 304314 B6 děcí dutina 8a, s její první porézní stěnu 9a, zde nejsou kresleny. Jsou přítmo napojeny za pravý konec prvního centrálního vývodu 7a.

První vírová komora 6a je zde vytvořena mezi vnějším pláštěm (z něhož je na obr. 18 kreslena pouze jedna polovina, oddělená řezem vedeným meridiální rovinou) a osově souměrným centrálním tělesem 2000, podobně nakresleným tak, že jeho polovina je myšleným řezem oddělena. Vzduch prochází mezikruhovou mezerou mezi vnějším pláštěm a centrálním tělesem 2000. V této mezeře jsou tělíska 1000. Každé z nich má v sobě první ústí 13a. Na přítokové levé straně má postupně ve směru proudění se zužující mezera mezi tělísky 1000 úlohu první trysky 3a. Výtokový otvor první trysky 3a je směrován axiálně. Dále ve směru proudění z první trysky 3a jedna boční strana každého tělíska 1000 tvoří přídržnou stěnu 14a. Opačná stěna tělíska 1000 je první protilehlá stěna 15a. Taje skloněna a zakřivena tak, že vede tangenciálně do první vírové komory 6a. Mezi první protilehlou stěnou 15a a první přídržnou stěnou 14a je dělič 50 (podobně jako na obr. 11).

Je-li požadován malý tlakový spád na první vírové komoře 6a, nesmí docházet k výtoku vzduchu z prvního ústí 13a. Vzduch prochází první tryskou 3a a je jí směřován k první přídržné stěně 14a. Ta jej vede axiálně a posléze, jak proudění sleduje odtokovou stranu centrálního tělesa 2000, se tento směr mění do radiálního vtoku do první vírové komory 6a, v níž tak nedochází k žádné rotaci. Vzhledem k absenci rotace je tlak v prvním ústí 13a velmi nízký, což je žádoucí, je to ještě zlepšeno nárůstem tlaku při průtoku difuzorem tvořícím první centrální vývod 7a z první vírové komory 6a.

Tento nízký tlak ovšem způsobí proudění vzduchu ve spojovacím kanálu 20 (není na obr. 19 kreslen) směrem z druhého ústí 13b (kde je právě tlak vyšší) do prvního ústí 13a. Toto proudění postupně nabude takové intenzity, že způsobí výtokem z prvního ústí 13a že vzduch procházející první tryskou 3a se odtrhne od první přídržné stěny 13a a přeskočí k první protilehlé stěně 15a, která jej vede do tangenciální cesty 5a za děličem 50. Tangenciálně směrovaný vtok do první vírové komory 6a způsobí v této komoře rotaci. Tlakový spád na první vírové komoře 6a vzroste, neboť je nutné překonávat odstředivé účinky vyvolané rotací. Tento vzrůst posléze vede k obrácení směru proudění ve spojovacím kanálu 20 a tím k následující polovině nového pulzačního cyklu.

Průmyslová využitelnost

Využití malých bublin v kapalině, generovaných jednotkou podle vynálezu je možné ve velkém počtu procesů kde se již dnes bubliny v kapalině vytvářejí a využívají, avšak zmenšení jejich velikosti způsobí, že se pro daný objem plynu dostane větší povrch, přes který plyn do kapaliny difunduje — a také se zmenší rychlost stoupání bublin k hladině, což umožní delší dobu průběhu difúzního děje. Typické průmyslové uplatnění je ve zpracování odpadních vod, které v podstatě provádějí bakterie, jimž se bublinami dodává kyslík, bez kterého hynou a nemohou zpracování provádět. Významné postavení má tvorba bublin i v procesech jako je oxidační loužení plutonia a americia, separace různých materiálů flotací, produkce jednobuněčných organizmů a řas jako základu potravního řetězce.

Claims

1. Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině napojená na přívod plynu vedoucí do nádrže s kapalinou, vyznačující se tím, že obsahuje přívodní kanál (1) pro průtok přiváděného plynu, který je rozvětven na nejméně dvě souběžné dráhy (2a, 2b), z nichž každá tato dráha obsahuje šest za sebou zapojených součástí, a sice trysku (3a, 3b), předkomůrku (4a, 4b), vírovou komoru (6a, 6b), centrální vývod (7a, 7b), rozváděči dutinu (8a, 8b) a porézní stěnu (9a, 9b) otevřenou do nádrže s kapalinou, kde tryska (3a, 3b) směřuje do předkomůrky (4a, 4b) a za tryskou (3a, 3b) ve směru průtoku je každá dráha (2a, 2b) v předkomůrce (4a, 4b) dále dělena na dvě alternativní cesty, tangenciální cestu (5a) a radiální cestu (5b), obě směřující do vírové komory (6a, 6b), přičemž radiální cesta (5b) vede u přídržné stěny (14a, 14b) směřující do centrálního vývodu (7a, 7b), přičemž v místě rozdělení (10a, 10b) do souběžných cest (5a, 5b) u ústí trysky (3a, 3b) do předkomůrky (4a, 4b) je mezi tryskou (3a, 3b) a začátkem přídržné stěny (14a, 14b) zaveden do předkomůrky (4a, 4b) spojovací kanál (20) vedoucí mezi první dráhou (2a) a druhou dráhou (2b).

2. Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině napojená na přívod plynu vedoucí do nádrže s kapalinou podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi předkomůrkou (4a, 4b) a rotačně symetrickou vírovou komorou (6a, 6b) vedou jak tangenciální cesta (5a), tak radiální cesta (5b) jedním společným průchozím otvorem (146a, 146b) a předkomůrka (4a, 4b) má naproti přídržné stěně (14a, 14b) protilehlou stěnu (15a, 15b), jež je proti ní skloněna pod úhlem a větším než 16 stupňů a dále pak mezi protilehlou stěnou (15a, 15b) a vírovou komorou (6a, 6b) je vystupující nos (46a, 46b).

3. Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině podle nároku 1, vyznačující se dvěma průchozími otvory (146aa, 146ba) do téže vírové komory (6a, 6b), a sice jeden průchozí otvor (146aa, 146ab) pro tangenciální cestu (5 a) a druhý průchozí otvor (146ba, 146bb) pro radiální cestu (5a), kteréžto cesty (5a, 5b) jsou vytvořeny každá po jedné straně děliče (50).

4. Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině podle nároků laž3, vyznačující se t í m , že ve vírové komoře (6a, 6b) je umístěna vodicí lopatka (16), tvarovaná do oblouku.

5. Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině podle nároků laž3, vyznačující se tím, že první dráha (2a) a/nebo druhá dráha (2b) je rozdělena do dvou nebo více souběžných cest napojených přes své obvodové předkomůrky (4al, 4a2, 4a3, 4a4) do společné vírové komory (6a, 6b).

6. Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině podle nároků 1,2a 3, vyznačující se tím, že horní stěna vírové komory (6a, 6b) a případně i spodní stěna vírové komory (6a, 6b) má tvar kuželu.

7. Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině podle nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že obsahuje komponenty: horní desku (95) opatřenou výstupními otvory (950) a pod ní kovovou tkaninu, jejíž část povrchu pod výstupními otvory (950) tvoří porézní stěnu (9a, 9b) rozváděčích dutin (8a, 8b), kde k horní desce (95) je připojena pod kovovou tkaninou umístěná dutinová deska (94), k níž je připojena přepážka (93) obsahující centrální vývody (7a, 7b), která je připojena na hlavní desku (92), ke které je připojena spodní deska (91) a na horní desku (95) je výhodně připojena nosná trubka (11), přičemž předkomůrky (4a, 4b) a vírové komory (6a, 6b) jsou vytvořeny v hlavní desce (92), kdežto rozváděči dutiny (8a, 8b) jsou vytvořeny v dutinové desce (94).

8. Jednotka generátoru plynových bublin v kapalině podle nároku 7, vyznačující se tím, že mezi výstupními otvory (950) jsou opěrné přepážky (951).