Zařízení je určeno pro zvyšování intenzity víření protékajících médií, zejména v sacím potrubí spalovacích motorů. Je tvořeno nejméně čtyřmi nezávisle vůči sobě otočnými koleny (2, 3, 4, 5 a 6) potrubí (1) s úhlem zakřivení alespoň 90°. Kolena (2,3, 4, 5 a 6) jsou řazena za sebou pro navádění celého proudu médií postupně do všech kolen (2, 3, 4, 5 a 6). Kolena (2, 3, 4, 5 a 6) jsou s výhodou otočitelná plynule vůči sobě pro dosažení plynulé vícenásobné změny směru proudu adaptabilně dle velikosti protékajícího množství plynné směsí. Mezi koleny (2, 3,4, 5 a 6) mohou být vloženy přímé části potrubí (1).

Zařízení pro zvyšování intenzity víření protékajících médií, zejména v sacím potrubí spalovacích motorů

Oblast techniky

Vynález se týká obecně zařízení pro zvýšení intenzity promíchání více plynů proudících v potrubí za účelem urychlení homogenizace výsledné směsi plynů.

Dosavadní stav techniky

Směšování plynných složek proudících v potrubí do stavu homogenní směsi se provádí nejčastěji pomocí tzv. statických směšovačů. Za poměrně dlouhou dobu vývoje těchto směšovačů, řádově několik desítek let, prošly směšovače poměrně složitým procesem a v současnosti jsou k dispozici směšovače optimalizované na konkrétní podmínky v potrubí a pro konkrétní plynné směsi. Statické směšovače zajišťují efektivní míšení protékajících médií svým tvarem a konstrukcí, která je v provozu neproměnná, případně proměnná jenom v omezené míře. Vlivem tvaru statického směšovače dochází k rozvíření proudu protékajícího média v potrubí, v důsledku tohoto se zvýší intenzita víření proudu a žel také i tlaková ztráta v potrubí. Zvýšením intenzity víření dochází k intenzivnějšímu promíchání směsi plynů, což napomáhá rychlejší homogenizaci plynné směsi.

Nevýhoda současného stavu použití statických směšovačů je úzké rozmezí průtoků, ve kterém lze dosahovat vysokou míru homogenizace při současně akceptovatelných tlakových ztrátách. I když statické směšovače zajišťují svým tvarem a konstrukcí efektivní míšení protékajících médií, jsou v podstatě navrhované pro určité konkrétní podmínky. Při jiných podmínkách dochází vlivem jejich neproměnného tvaru, příp. proměnném, ale pouze v omezené míře, ke zbytečným ztrátám. V případě malého průtoku médií v potrubí může docházet k nedostatečné intenzitě promíšení a tím nevyhovující míře homogenity plynné směsi v požadovaném místě potrubí. A obráceně, v případě velkého průtoku médií v potrubí může docházet k nežádoucí tlakové ztrátě - vlivem aerodynamického odporu směšovače. Z těchto důvodů není vhodné použití statických směšovačů pro široké spektrum měnících se průtokových podmínek v potrubí.

Jedním ze zařízení, u kterých dochází k významné proměnlivosti průtoků médií v potrubí je např. spalovací motor, který v rámci svého provozu pracuje v široké škále zatížení a otáček. Proto pro aplikace na spalovacím motoru pracujícího v široké škále provozních režimů, není použití statického směšovače vhodné.

Podstata vynálezu

Navrhovaný způsob, eliminující nevýhody současného stavu, spočívá ve zvyšování intenzity víření v potrubí změnou směru proudu, za současné změny směru působení odstředivé síly, pomocí vhodně ohnutých části potrubí - kolen s úhlem zakřivení alespoň 90°. V podstatě jde o využití koherentních struktur - vírů, vznikajících za místem zahnutí proudu média pomocí vhodného zařízení, v tomto případě koleny. Rovněž jde o využití odstředivé síly, pomocí které lze přesouvat částice média z jedné strany průřezu proudu na protilehlou stanu. Navíc lze intenzitu víření a tím i tlakovou ztrátu měnit pomocí vícenásobné změny směru proudu, za současné změny směru působení odstředivé síly, čehož lze dosáhnout změnou natočení kolen následujících po sobě do různých směrů. Každá změna směru proudu kolenem vyvolává jak změnu intenzity víření, tak i změnu tlakové ztráty. Kolena mohou být v potrubí řazena za sebou buď bezprostředně a/nebo s úseky rovného potrubí mezi koleny.

Použití kolen je zajímavé také z ekonomického hlediska. Výroba kolen je technologicky zvládnutá a pořizovací náklady jsou malé v porovnání s jednoúčelovými statickými směšovači. Pro zvý- 1 CZ 304415 B6 šení intenzity turbulence v případě malých průtoků, lze zvolit takové uspořádání, tj. natočení, kolen následujících po sobě, že bude docházet k změně směru proudu po průchodu každým kolenem. Každé koleno tak bude otáčet proud médií obráceným směrem, než předchozí koleno. Toto uspořádání způsobí změnu smyslu působení odstředivé síly po průtoku každým kolenem a rovněž tak změnu koherentních struktur. Složky plynu tak budou nuceny proudit k protilehlé straně potrubí přes celý průřez. Tímto způsobem lze dosáhnout významného zvýšení rychlosti homogenizace směsi plyn, v porovnání s rovným úsekem potrubí. Tlaková ztráta se v porovnání s rovným úsekem potrubí mírně zvýší, avšak přínosem je zkrácení nutné délky směšovacího potrubí pro dosažení stejné míry homogenity.

V případě velkých průtoků by stejné natočení kolen po sobě, jako v případě malých průtoků, vytvořilo nežádoucí velkou tlakovou ztrátu. Proto lze zvolit takové natočení kolen po sobě, při kterém nebude každé koleno otáčet proud médií obráceným směrem, než předchozí koleno, nebude tak docházet ke změně smyslu působení odstředivé síly. Natočení kolen následujících po sobě se zvolí s ohledem na minimální nárůst tlakové ztráty. Tímto uspořádáním nebude docházet k rapidnímu nárůstu tlakové ztráty a z důvodu velkého průtoku médií dojde k vytvoření dostatečně intenzity víření v potrubí.

Pomocí volby počtu kolen, jako i tvaru kolen po jejich délce i průřezu a rovněž volbou jejich průměru, lze také optimalizovat jak intenzitu víření, tak i vzniklou tlakovou ztrátu v potrubí. Tímto způsobem lze navrhnout tzv. adaptabilní směšovač.

Vkládáním rovných kusů potrubí mezi jednotlivá kolena, tj. spojovacích členů, a také i změnou jejich délky lze rovněž využít pro další optimalizaci jak intenzity víření, tak i vzniklé tlakové ztráty v potrubí.

Objasnění obrázků na výkrese

Vynález bude blíže popsán na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je znázorněno v axonometrickém pohledu jedno provedení potrubí a na obr. 2 je znázorněno toto potrubí v jiném axonometrickém pohledu.

Příklad uskutečnění vynálezu

Na přiložených obr. jsou znázorněny dva pohledy na příklad potrubí s koleny řazenými po sobě se spojovacími mezikusy o minimální délce.

Na obr. 1 a obr. 2 je představený případ, kdy jsou kolena řazena po sobě se spojovacími mezikusy o minimální délce. Pro optimalizaci intenzity víření a tím i tlakové ztráty lze kolena natáčet vůči sobě během proudění médií v potrubí. Po utěsnění potrubí s natáčejícími se koleny se předpokládá použití vhodného těsnění.

Počet kolen a jejich vzájemné natočení za provozu pro aktuální průtok médií, je možné stanovit buď experimentálně a/nebo pomocí simulací ve vhodném kódu, např. CFD (Computer Fluid Dynamics) kódu. Tímto způsobem lze navrhnout tzv. adaptabilní směšovač s volitelným natočením kolen za provozu v závislosti na průtoku médií. Lze tak dosáhnout požadovaný stupeň homogenity na kratším úseku než při použití pouze rovného úseku potrubí, navíc s menší tlakovou ztrátou v širokém rozmezí průtoků než při použití statického směšovače.

Na obr. 1 je zobrazen příklad provedení adaptabilního směšovače pomocí pěti kusů kolen. Směs plynů vstupuje do potrubí i ve směru šipky. Pomocí kolen 2, 3, 4, 5 a 6 lze měnit směr proudu po průtoku každým kolenem ve směru jeho natočení. Intenzitu víření lze měnit pomocí natočení kolen 2, 3, 4, 5 a 6 vůči sobě. Natáčení kolen 2, 3, 4, 5 a 6 vůči sobě lze provádět za provozu, tj.

-2CZ 304415 B6 během průtoku médií. Platí, že při každém otočení směru proudu tekutiny následujícím kolenem, a tím změně směru působení odstředivé síly, dochází jednak k změně intenzity víření, tak i ke změně tlakové ztráty. Čím víckrát dojde k otočení směru proudu oproti směru proudu daným předcházejícím kolenem, tím vyšší bude dosažena intenzita turbulence i tlaková ztráta.

A obráceně, čím méněkrát dojde k otočení směru proudu po protečení kolenem, tím nižší bude výsledná intenzita víření i tlaková ztráta.

Na příkladu na obr. 1 a obr. 2 jsou kolena navzájem spojena pomocí spojovacích členů 7, 8, 9 a 10 o minimální délce. Je však možné uvažovat jak o spojovacích členech o větší délce, tak i o spojovacích členech s proměnnou délkou během provozu. V případě spojovacích členů o variabilní délce mohou být tyto v teleskopickém provedení.

Utěsnění celého potrubí v místech otáčejících se dílů, lze dosáhnout použitím vhodných těsnění, jak bylo již zmíněno výše.

Pomocí kolen 2, 3, 4, 5 a 6 a jejich vzájemného natočení, jako i pomocí spojovacích členů 7, 8, 9 a W a jejich délce, lze dosáhnout požadovanou míru homogenity směsi plynů buď na výstupu z kolen 6 - ve směru šipky, a/nebo v určitém konkrétním místě potrubí za kolenem 6. Toho případně lze dosáhnout i jiným počtem kolen, než je uvedeno na obr. 1 a obr. 2.

Pomocí optimalizačních simulací zařízení, uvedeném na obr. 1 a obr. 2, v CFD kódu Fluent bylo zjištěno, že pomocí vhodného natočení kolen vůči sobě lze zkrátit nutnou délku potrubí pro dosažení dostatečné homogenity směsi až o 60 % oproti rovnému úseku potrubí. Současně dojde k nárůstu tlakových ztrát pouze o 12 % oproti rovnému úseku. Také bylo zjištěno, že použití pouze dvou nebo tří kolen, navíc neotočných vůči sobě jak je použito u podobných řešení, viz patenty: FR 2946389 A, EP 0984156 B a rovněž US 4776313 A, je pro dosažení výše uvedeného výsledku zcela nedostatečné.

Průmyslová využitelnost

Vynález je využitelný obecně v oboru míšení směsi různých plynů proudících v potrubí, kde dochází k významné změně průtoků. Pomocí vynálezu lze urychlit dosažení požadované míry homogenity výsledné směsi plynů, při současné možnosti optimalizace vzniklé tlakové ztráty. Jako konkrétní oblast použití lze uvést sací potrubí zážehových i vznětových spalovacích motorů, ve kterých dochází ke směšování recirkulovaných, označovaných také jako EGR, s pracovní látkou. A to spalovacích motorů určených jak pro pohon mobilních prostředků, tak i pro pohon tzv. stacionárních zdrojů.

PATENTOVÉ NÁROKY