CZ306551B6

CZ306551B6 - Způsob dvourežimového řízení průtoku tekutin a zařízení pro provádění tohoto způsobu

Info

Publication number: CZ306551B6
Application number: CZ2012-344A
Authority: CZ
Inventors: Václav Tesař
Original assignee: Ăšstav termomechaniky AV ÄŚR , v.v.i.
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2017-03-08
Also published as: CZ2012344A3

Abstract

Způsob dvourežimového řízeného ovládání proudění tekutin probíhá tak, že z tekutiny, jejíž proudění je ovládáno, se vytváří tekutinový proud s mezikruhovým průřezem, jenž se směruje proti toroidálnímu vybrání, ve kterém se řídicím účinkem vytvoří stacionární prstencový vír, který interaguje s mezikruhovým proudem tak, že jej přiměje ke změně průměru, a to změně závislé na orientaci rotace v toroidálním vybrání. Zařízení pro provádění tohoto způsobu dvourežimového řízení průtoku tekutin zahrnuje přívodní těleso (10) a vývodní těleso (20), přičemž přívodní těleso (10) zahrnuje anulární trysku (1), jejíž ústí má tvar mezikruží, a vývodní těleso (20) zahrnuje toroidální vybrání (2), ohraničené vnější vstupní hranou (130) a vnitřní vstupní hranou (140), středový kanál (22) a řídicí ústrojí, přičemž ústí anulární trysky (1) směřuje naproti toroidálnímu vybrání (2). Řídicím ústrojím je například alespoň jedna kladná řídicí tryska (3) napojená na zdroj přetlakového řídicího signálu druhou dutinou (220) a/nebo alespoň jedna záporná řídicí tryska (4) napojená na zdroj jiného přetlakového řídicího signálu první dutinou (210).

Description

Způsob dvourežimového řízení průtoku tekutin a zařízení pro provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Předmět vynálezu se zabývá ústrojími pro řízení pohybu tekutiny, kapaliny nebo plynu, a způsobem rozvádění tekutiny do míst, kde je jí zapotřebí. Předpokládá se, že tekutina je vedena v potrubí, a to je v takovém ústrojí rozvětveno tak, že tekutina má v zásadě dvě možnosti kam proudit. Podle přivedených řídicích účinků působících v místech rozvětvení tak může být tekutina navazujícím potrubím vedena alternativně do různých lokalit. Předmětem vynálezu je pak jednak způsob tohoto působení v místech rozvětvení potrubí, kterým se tekutina přiměje k tomu, aby proudila ve dvou různých režimech do dvou různých lokalit, jednak je předmětem vynálezu zařízení sloužící k provedení tohoto způsobu. Toto zařízení může mít charakter rozváděcího ventilu. Zejména jde v tomto vynálezu o takové ventily, v nichž je průtok tekutiny ovládán řídicím signálem automatického řídicího systému. Uplatnění je zaměřeno především na použití v dopravních prostředcích, letadlech či vozidlech, kde významnými požadavky jsou malá celková hmotnost ventilu a velká rychlost odezvy na přivedený řídicí signál. Vynález se především týká těch případů, kdy je řídicí signál přenášen tekutinou, jde tedy o pneumatické nebo hydraulické řízení pohybu tekutin.

Dosavadní stav techniky

Dvourežimové rozváděči ventily pro automatické řízení proudění tekutin jsou běžně známy. Mají obvykle jeden přívod tekutiny a dva vývody, i když jeden z vývodů může mít charakter prostého výtoku třeba do volné atmosféry. Ventily dosud známé a obvykle používané fungují tak, že pohyb tekutiny je ovládán působením mechanické součástky, jež podle své polohy zakrývají jeden z obou vývodů a umožňují tak přiváděné tekutině přívodem vstupovat jen do jednoho z obou vývodů. K dosažení pohybu této součástky pro zakrytí jiného z vývodů je zapotřebí přestavující síla, zejména jde-li o pohyb proti silovým účinkům proudící tekutiny. Velmi často je současně s přemísťováním této průtok zakrývající součástky ještě také deformována pružina. Ta zajišťuje to, že po přerušení řídicího signálu se součástka navrátí do své původní polohy. Pak je potřebná přestavovací síla kromě překonávání samotného hydrodynamického odporu součástky proti jejímu pohybu navíc zvětšená o sílu potřebnou na deformaci pružiny. Mechanický silový účinek je u dnes obvyklých provedení přiváděn z vnějšku a dovnitř ventilu je přenášen přes těsněnou součástku. Při jejím přemisťování ovšem v tomto těsnění vždy vzniká velká třecí síla, jíž je také nutné překonávat. Celková překonávaná síla proto není nikterak malá a tomu musí odpovídat i celková robustnost konstrukce a v důsledku toho pak i značná váha, resp. hmotnost. Problém s velkou hmotností ventilu a jeho pohonů je nepříznivým faktorem zejména při použití ventilu v dopravních prostředcích, jako jsou letadla nebo automobily, kde je požadována malá celková výsledná váha dopravního prostředku.

Běžné současné ventily se neobejdou bez údržby, jakou je zejména například výměna těsnění nebo vymezení vůlí vzniklých v tomto těsnění, neboť to se v průběhu provozu ventilu nevyhnutelně opotřebovává. S těsněním jsou také všeobecně problémy, mají-li změny funkčního režimu ve ventilu probíhat při vysokých teplotách, například při řízení průtoku produktů spalování, kde není možné použít obvyklé organické těsnicí materiály. V provozu se také nevyhnutelně opotřebují i jiné funkční části ventilu, například dosedací plochy pohyblivých součástek a jejich vedení. Životnost obvyklých ventilů je proto omezena na určitý počet pracovních cyklů. Ke zvlášť velkému stupni opotřebení dochází právě u použití v dopravních prostředcích, kdy se zpravidla nelze vyhnout vibracím a setrvačným působením vedoucím ke zvláště velkým silám přenášeným v kontaktních místech. Konstrukce vozidla nebo letadla je pak komplikována tím, že je nezbytné zajistit v letadle dutiny pro umožnění přístupu k ventilu, aby mohly být provedeny údržbové práce nebo i výměna ventilu po skončení jeho životnosti.

- 1 CZ 306551 B6

Důležitým faktorem, zejména u automatických řídicích systémů, je rychlost odezvy na přivedený řídicí signál. Tato rychlost je limitována u běžných ventilů setrvačností přemisťované součástky zakrývající jeden z vývodů a navíc k tomu i setrvačností dalších pohyblivých částí systému, kterými je pohyb této součástky ovládán. Vzhledem k nutnosti prostorového přemisťování součástky tak velké, že je rozměrově srovnatelná s průřezem potrubí, do něhož je ventil umístěn, musí jít o součástku se značnou hmotností. K provedení jejích pohybů je pak ovšem i potřebný řídicí příkon relativně vysoký.

Podstata vynálezu

Výše popsané nevýhody řeší jednak způsob dvourežimového řízení průtoku podle předmětu vynálezu, jednak zařízení pro provádění tohoto způsobu.

Způsob dvourežimového řízení průtoku podle tohoto vynálezu je založen na zvláštních vlastnostech toroidálních prstencových vírů jaké se vytvářejí v tekutinách zejména při osově souměrném proudění. Pro jednoznačnost následujícího popisu je nejprve namístě uvést, že jako „torus“ je běžně označován prostorový útvar, který vznikne myšlenou rotaci menší kružnice, s malým hlavním průměrem, kolem osy ležící ve stejné rovině jako tato kružnice, takže bod menší kružnice nejvíce vzdálený od této osy se při takové myšlené rotaci pohybuje po velkém hlavním průměru. Torus je proto definován svými dvěma hlavními průměry. Malý hlavní průměr toru je průměr nejmenší kružnice, tedy rovinné čáry o všude stejném poloměru zakřivení, jakou lze sestrojit na povrchu toru, kdežto velký hlavní průměr je naopak průměr největší kružnice jakou na tomto povrchu vůbec lze sestrojit. Také u dále popisovaného toroidálního vybrání je účelné právě tak hovořit o tomto malém hlavním průměru a velkém hlavním průměru.

Předmětem vynálezu je způsob dvourežimového řízení průtoku tekutin, který je založen na tom, že z tekutiny, jejíž proudění je ovládáno, se vytváří tekutinový proud s mezikruhovým průřezem, jenž se směruje proti toroidálnímu vybrání, ve kterém se řídicím účinkem vytvoří stacionární prstencový vír, který interaguje s mezikruhovým proudem tak, že jej přiměje ke změně průměru, a to změně závislé na orientaci rotace v toroidálním vybrání.

Řídicí účinek se s výhodou dosáhne výtokem tekutiny z alespoň jedné kladné a/nebo záporné řídicí trysky směrované do toroidálního vybrání, s výhodou ve směru točny k menšímu z obou hlavních průměrů toroidu. Je možné, aby řídicí tryska byla směrována do toroidálního vybrání s určitou odchylkou od směru tečny k menšímu z obou hlavních průměrů toroidu, ale tím se zmenší řídicí účinek, takže takové uspořádání je méně výhodné.

V jiných případech se řídicí účinek se dosáhne podtlakem působícím v alespoň jednom kladném a/nebo záporném ústí umístěném v toroidálním vybrání u jedné či obou jeho vstupních hran.

V zařízení podle tohoto vynálezu tedy mohou v závislosti na přivedeném řídicím účinku nastat dva vzájemně odlišné režimy proudění.

Zařízení k provádění tohoto způsobu zahrnuje přívodní těleso a vývodní těleso, přičemž v přívodním tělese je vytvořena pro výtok tekutiny anulámí tryska s ústím majícím tvar mezikruží, a ve vývodním tělese jsou vytvořeny jednak středový kanál, jednak proti anulámí trysce umístěné toroidální vybrání, ohraničené vnější vstupní hranou a vnitřní vstupní hranou a opatřené řídicím ústrojím.

Řídicím ústrojím v zařízení může pak být alespoň jedna kladná řídicí tryska napojená na zdroj přetlakového řídicího signálu druhou dutinou a/nebo alespoň jedna záporná řídicí tryska napojená na zdroj jiného přetlakového řídicího signálu první dutinou, přičemž každá dutina je umístěna uvnitř vývodního tělesa a každá řídicí tryska vystupuje do toroidálního vybrání a je s výhodou tvarována a směrována tak, že její ústí směřuje s výhodou tečně k menší hlavní kružnici toru a v

-2 CZ 306551 B6 případě přítomnosti alespoň jedné kladné řídicí trysky a alespoň jedné záporné řídicí trysky směřují ústí obou řídicích trysek naproti sobě, toroidální vybrání má dutý tvar má tvar o rozměrech odpovídajících minimálně 40ti procentům, ale méně než 90ti procentům toru, přičemž řídicím ústrojím je s výhodou pouze alespoň jedna záporná řídicí tryska napojená na první dutinu jen pokud je průměr vnější vstupní hrany menší než dvojnásobek středního poloměru r anulámí trysky a řídicím ústrojím je s výhodou pouze alespoň jedna kladná řídicí tryska napojená na druhou dutinu jen, pokud je dvojnásobek středního poloměru r anulámí trysky větší než průměr vnitřní vstupní hrany.

Řídicím ústrojím může také alternativně být alespoň jedno kladné podtlakové ústí ústící do toroidálního vybrání za vnější vstupní hranou a/nebo alespoň jedno záporné podtlakové ústí ústící do toroidálního vybrání za vnitřní vstupní hranou, každé z ústí napojené na svůj zdroj podtlakového řídicího signálu, přičemž toroidální vybrání má tvar o rozměrech odpovídajících více než 50ti procentům, ale méně než 90ti procentům toru.

Zařízení může s výhodou zahrnovat kolektor, první vývod a druhý vývod, přičemž kolektor je umístěn okolo vývodního tělesa a jeho dutina je napojena na první vývod, kdežto druhý vývod je napojen na středový kanál. Na tyto vývody jsou pak připojována zařízení, v nichž je využito přiváděné tekutiny nebo se tato tekutina zpracovává. Například může jít o napojenou dutinu s topnou spirálou nebo o chemický reaktor, například v monolitickém provedení. Zařízení podle tohoto vynálezu pak funguje ve své podstatě jako rozváděči ventil k řízení proudění tekutin.

Jak je známo, charakter proudění tekutin je určen velikostí Reynoldsova čísla, v němž vystupuje součin charakteristického délkového rozměru proudového pole s charakteristickou rychlostí proudění a tento součin je dělen hodnotou kinematické viskozity tekutiny. Jestliže je hodnota Reynoldsova čísla příliš nízká, nebudou poměry příznivé pro efektivitu takových proudění, které, jako v tomto případě, závisejí na setrvačných účincích působících v tekutině. Zařízení je proto s výhodou vytvořeno tak, aby hodnota Reynoldsova čísla počítaná ze šířky ústí anulámí trysky a z rychlosti výtoku z této anulámí trysky s ohledem na viskozitu tekutiny byla větší než 1000.

U zařízení tedy nejsou použity žádné mechanické pohyblivé součástky, takže odpadají všechny zmíněné potíže s těsněním a opotřebením. Protože odpadá setrvačnost mechanických součástek, dosahuje se mimořádně rychlé reakce na přivedený řídicí signál. Využívá se aerodynamický jev vytvoření stojatého prstencového víru., který vzniká v důsledku mimořádně citlivého mechanismu. Je to jev, ke kterému dokonce v přírodě dochází zcela samovolně, neboť prstencové víry se tvoří i bez vnějších podnětů při proudění v osově souměrných konfiguracích. Znamená to, že k dosažení změny funkčního režimu dochází v zařízení podle tohoto vynálezu již po nepatrném řídicím působení, kterým se pouze nastavuje orientace tohoto dále již samovolně se vytvářejícího jevu. Podle takto nastavené orientace rotace tohoto víru pak nastává v zařízení jeden nebo druhý z obou funkčních režimů. To ovšem pak znamená, že k řízení velmi velkého výstupního průtoku se vystačí s pouze nepatrným řídicím příkonem.

Typickým příkladem praktického uplatnění způsobu řízení proudění tekutin v zařízení podle tohoto vynálezu, kde v závislosti na přivedeném řídicím účinku nastává jeden ze dvou vzájemně odlišných režimů proudění, je ventil s jedním přívodem tekutiny a dvěma vývody. V závislosti na řídicím signálu a tedy na smyslu rotace prstencového víru se přiváděná tekutina směřuje buď do jednoho, nebo do druhého zobou vývodů. Významnou vlastností způsobu podle tohoto vynálezu je zejména to, že podstatné změny v charakteru značně intenzivního řízeného proudění se vlivem stojatého víru dosahuje nepoměrně slabým řídicím účinkem.

Vírové pohyby v tekutině mají v mnoha případech proudění charakter toroidálních nebo toru příbuzných prstencových vírů. Zejména jsou prstencové víry vytvářeny pulzujícím výtokem z trysky s kruhovým tvarem ústí, ale i výtokem, který se v čase nemění. Prstencové víry mají v mechanice tekutin významné postavení, neboť se vyznačují mimořádnou stabilitou. Zatímco jiné pohyby v tekutině, jež není nevystavena vnějším silám, to znamená, že vírovým útvarům v ní

-3 CZ 306551 B6 není dodávána energie, se rychle utlumí, prstencové víry mají schopnost uchovat si svůj charakter po relativně dlouhý časový úsek.

V zařízení k řízenému ovládání proudem tekutin podle tohoto vynálezu je právě podstatným znakem vytvoření stacionárního prstencového víru. Slouží k tomu v prvé řadě součást označená zde jako vývodní těleso. Tato součást je v zásadě osově souměrného tvaru, eventuální malé odchylky od symetrie nejsou podstatné, ovšem zhoršují funkční vlastnosti zařízení podle tohoto vynálezu a při racionálním návrhu je účelné se jim vyhnout. V ose symetrie je tato součást opatřena středovým kanálem. Dále je v této součásti vytvořeno pro vytváření stojatého prstencového víru vybrání mající zčásti toroidální tvar. Na vnějším i vnitřním průměru, vzhledem k ose symetrie, je toto toroidální vybrání ohraničeno vstupní hranou. Protože tento toroidální tvar odpovídá charakteru prstencových vírů tvořících se samovolně v tekutině, může se v toroidálním vybrání snadno prstencový vír vytvořit anebo se v něm jinde předtím vytvořený a tekutinou unášený vír snadno může zachytit a zůstat v něm jako stacionární objekt. Znamená to, že přestává pak být dále tekutinou unášen, zůstává v toroidálním vybrání a pouze v něm rotuje. Jde o rotaci sledující malou hlavní kružnici toroidu. Taková rotace je někdy v literatuře označována jako poloidální rotace. Bez přívodu energie by se ovšem i tato rotace postupně zastavila třecími účinky v tekutině. V popisovaném uspořádání je však prstencový vír udržován v rotaci. To je dosaženo prouděním vytékajícím z přívodního tělesa. Toto přívodní těleso je další podstatnou součástkou zařízení podle tohoto vynalezu. Přívodní těleso je rovněž v zásadě osově souměrného tvaru a je umístěné souose s vývodním tělesem. V přívodním tělese je proti toroidálnímu vybrání vývodního tělesa vyústěna anulámí tryska, tedy tryska s mezikruhovým tvarem ústí, která je napojena vnitřními dutinami přívodního tělesa na zdroj tekutiny. To zajišťuje, že z této anulární trysky ve směru její osy vytéká při funkci zařízení trvalý tekutinový proud. Ten ovšem také má mezikruhový tvar svého průřezu. Tento proud dopadá na prstencový vír nacházející se v toroidálním vybrání vývodního tělesa. Dopadá v zásadě kolmo k rovině velkého hlavního průměru toroidálního vybrání, i když malé odchylky jsou přijatelné, ale v zásadě nejsou žádoucí, neboť by vedly ke zhoršení funkce popisovaného ústrojí. Jakmile dojde ke kolizi proudu s prstencovým vírem, nemůže ovšem proud pokračovat dále ve svém původním směru beze změny. Dojde k deformaci tohoto proudu, a sice takové, že rotací tekutiny tvořící prstencový vír je proud nasměrován do směru tečny k menšímu hlavnímu průměru prstencového víru. Tímto tečným působením předává proud prstencovému víru část své energie a tím prstencový vír udržuje ve zmíněné poloidální rotaci. Na druhé straně dojde v důsledku zmíněné deformace ke změně průměru mezikruhového proudu. Charakter deformace proudu ovšem závisí na orientaci rotace prstencového víru. Při jednom smyslu rotace prstencového víru se při jeho interakci s mezikruhovým proudem z anulámí trysky průměr tohoto proudu zvětší. Proud pak obchází vývodní těleso po jeho vnější straně. Prstencový vír však může rotovat i s opačnou orientací rotačního pohybu. Pak se při jeho interakcí s mezikruhovým proudem z anulární trysky průměr tohoto proudu naopak zmenší. Proud pak prochází středovým kanálem ve vývodním tělese.

Ke které z těchto dvou alternativních možností proudění v zařízení podle tohoto vynálezu dochází, závisí na řídicím účinku. Jeho cílem je určit smysl rotace prstencového víru. Možností jak vyvolat tento řídicí účinek je více. Důležitou okolností je, že k vyvození rotace prstencového víru postačí velmi slabé působení, ostatně v anulárním proudu za běžných podmínek se vytvářejí rotující prstencové víru i samovolně, aniž by se vůbec nějakým řídicím účinkem působilo. Jednou z možností vyvolání řídicího účinku je výtok tekutiny z řídicí trysky, resp. z většího počtu paralelně působících řídicích trysek napojených na společný přívod řídicího průtoku. Tato řídicí tryska vyúsťuje do toroidálního vybrání, a sice tak, že směr výtoku z ní pokud možno souhlasí se směrem tečny malé hlavní kružnici toroidu. Jinou možností je působení podtlakového účinku v podtlakovém ústí umístěném v toroidálním vybrání, a sice u jedné či obou jeho dvou vstupních hran. I v tomto druhém případě dochází k silovému účinku s výhodou ve směru tečny k malé hlavní kružnici toroidu.

-4CZ 306551 B6

Objasnění výkresů

Na obr. 1 je znázorněna ústřední část typického osově souměrného zařízení k provádění způsobu podle tohoto vynálezu. Je znázorněna v řezu vedeném meridiální rovinou, tedy rovinou, jež prochází osou symetrie. Na tomto obrázku je tato ústřední část znázorněna v klidovém stavu bez průtoku tekutiny. Jde o uspořádání uzpůsobené pro řízení přetlakovými řídicími signály.

Na obr. 2 je znázorněno jinak shodné zařízení jako na předešlém obr. 1, kde je ale naznačeno, jak zařízením protéká tekutina v situaci, kdy v toroidálním vybrání je stojící prstencový vír s kladnou orientací své rotace.

Na obr. 3 je znázorněno zase jinak shodné zařízení jako na obr. 1, lišící se ale od předešlého obr. 2 tím, že v něm je naznačeno, jak zařízením protéká tekutina v situaci, kdy v toroidálním vybrání je stojící prstencový vír se zápornou orientací rotace.

Na obr. 4 je jednak nakreslena v měřítku konkrétní geometrie aktivních částí zařízení podle tohoto vynálezu, s níž bylo dosaženo uspokojivé funkce, jednak jsou zde vyznačeny důležité geometrické parametry tohoto ústrojí.

Na obr. 5 jsou zobrazeny vypočítané trajektorie částic tekutiny v zařízení podle tohoto vynálezu s geometrií aktivních částí odpovídající obr. 4, a sice v situaci, kdy v toroidálním vybrání je právě stacionární prstencový vír s kladnou orientací rotace.

Na obr. 6 jsou zobrazeny obdobně na předcházejícím obrázku vypočítané trajektorie částic tekutiny v zařízení podle tohoto vynálezu s geometrií aktivních částí odpovídající obr. 4. Tentokrát však jde o výpočet provedený v případě, kdy v toroidálním vybrání je právě stacionární prstencový vír se zápornou orientací rotace.

Na obr. 7 je ukázka možného provedení rozváděcího ventilu se dvěma funkčními režimy využívající způsob ovládání průtoku tekutiny podle tohoto vynálezu. Jde o případ, kdy v toroidálním vybrání je stojící prstencový vír s kladnou orientací rotace a tekutina z něj vytéká prvním vývodem.

Na obr. 8 je tatáž ukázka možného provedení rozváděcího ventilu jako na obr. 7 avšak naopak v případě, kdy v toroidálním vybrání je stojící prstencový vír se zápornou orientací rotace a tekutina vytéká druhým vývodem.

Na obr. 9 je v perspektivním pohledu znázorněna ukázka uplatnění způsobu podle tohoto vynálezu v elektrickém ohřívači pracujícím s pulzní šířkovou modulací ohřevu protékajícího vzduchu.

Na obr. 10 je znázorněna čelní část vývodního tělesa zařízení podle tohoto vynálezu uzpůsobená pro řízení podtlakovými signály.

Na obr. 11 je znázorněno vytváření stojatého prstencového víru se zápornou rotací v zařízení podle tohoto vynálezu působením podtlaku v záporném podtlakovém ústí.

Na obr. 12 je nakreslena v měřítku čelní část vývodního tělesa zařízení podle tohoto vynálezu v provedení, u nějž bylo demonstrováno řízení podtlakovými signály.

Na obr. 13 jsou zobrazeny numerickým řešením pole proudění vypočítané trajektorie částic tekutiny v zařízení podle tohoto vynálezu s geometrií aktivních částí odpovídající obr. 12. Výpočet byl proveden pro případ, kdy v toroidálním vybrání je stacionární prstencový vír se zápornou orientací rotace.

-5 CZ 306551 B6

Na obr. 14 je zobrazeno zařízení podle tohoto vynálezu uzpůsobené pro řízení podtlakovými signály, pro které byl proveden numerický výpočet rychlostního pole z obr. 13 demonstrující možnost vyvolání stacionárního prstencového víru v toroidálním vybrání podtlakovým účinkem.

Na obr. 15 je jako příklad využití způsobu a zařízení podle tohoto vynálezu naznačeno uplatnění v řízeném katalytickém reaktoru pro redukci obsahu škodlivin ve výfukových plynech automobilového motoru.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Tento příklad provedení je naznačen na třech obrázcích, tedy obr. 1, 2 a 3. Všechny tyto obrázky obsahují celé funkce schopné zařízení se všemi komponentami nezbytnými pro dosažení účinku, jenž je předmětem tohoto vynálezu. Jde o typické osově souměrné uspořádání, v němž je rotace prstencového víru řízena přetlakovými signály. Je znázorněno v řezu meridiální rovinou, tedy jež prochází osou 11, jež je osou symetrie celého uspořádání.

Základními částmi zařízení je přívodní těleso 10 vlevo a vývodní těleso 20 na pravé straně obrázku. Obě tělesa mají společnou osu 11. V přívodním tělese 10 je vytvořena anulámí tryska 1, jejíž ústí má tvar mezikruží, přičemž dutiny přívodního tělesa 10 jsou napojeny na jedné straně na přívod tekutiny a na opačné straně na anulámí trysku 1. Naproti tomuto mezikruží je v čelní části vývodního tělesa 20 vytvořeno toroidální vybrání 2. To zde má tvar prakticky jedné poloviny toru. Na větším i na menším poloměru od osy 11 je toroidální vybrání 2 ohraničeno ostrými vstupními hranami, a sice vnější vstupní hranou 130 a vnitřní vstupní hranou 140. Uvnitř vývodního tělesa 20 jsou dvě dutiny, a sice první dutina 210 a druhá dutina 220. V tomto případě mají obě dutiny tvar úplného tvar toru, z něhož je ovšem na těchto třech obrázcích viditelná jen jejich menší hlavní kružnice. Z první dutiny 210 vystupují do toroidálního vybrání 2 vývody záporných řídicích trysek 4, kdežto z druhé dutiny 220 vystupují do toroidálního vybrání 2 vývody kladných řídicích trysek 3. V tomto konkrétním příkladu je v toroidální dutině osm kladných řídicích trysek 3 střídavě s osmi zápornými řídicími tryskami 4. Tento počet není nijak podstatný, v zásadě platí, že čím je počet řídicích trysek 3, 4 větší tím rovnoměrnější a následně účinnější je jimi vyvozený řídicí účinek. Z obou soustav řídicích trysek 3, 4 je na obrázcích obr. 1, 2 a 3 patrná jen jedna tryska v každé polovině obrázku, například v horní polovině vývodního tělesa 20, je nad osou 11, vidět kladná řídicí tryska 3. Jak je patrné, kladné řídicí trysky 3 jsou zakřiveny tak, že jejich ústí směřuje tečně k menší hlavní kružnici toru, jenž by se nacházel v toroidálním vybrání 2. Z první dutiny 210 ve vývodním tělese 20 vystupují do toroidálního vybrání 2 vývody záporných řídicích trysek 4, z nichž je na obrázcích patrná jen jedna nacházející se v dolní polovině vývodního tělesa 20, tedy pod osou 11. Také každá záporná řídicí tryska 4 je zakřivena tak, že její ústí směřuje tečně k menší hlavní kružnici toru, jenž by se nacházel v toroidálním vybrání 2, ale v obráceném směru, než do kterého směřují ústí kladných řídicích trysek 3. Provedení, které má jako zde jak kladné řídicí trysky 3, tak i záporné řídicí trysky 4, je typické. Zařízení však může mít pouze kladné řídicí trysky 3 nebo naopak pouze záporné řídicí trysky 4. Záleží přitom na vzájemné poloze anulámí trysky 1 a toroidálního vybrání 2.

Protože anulámí tryskou 1 prochází ze zdroje přítok 100 tekutiny podle obr. 2, vytéká z jejího ústí ve směru osy 11 tekutinový proud, mající mezikruhový tvar svého průřezu. Tento proud dopadá na prstencový vír nacházející se v toroidálním vybrání 2, vývodního tělesa 20. Preferované koaxiální uspořádání vede k tomu, že proud dopadá v zásadě ve směru kolmém k rovině velké hlavní kružnice toru nacházejícího se v toroidálním vybrání 2. Malé odchylky, tedy odchylky od kolmosti, nemusí znamenat, že by zařízení nefungovalo, ale v zásadě nejsou žádoucí, neboť by vedly ke zhoršení funkce popisovaného ústrojí a konstruktér takové uspořádání zvolí, jen je-li k tomu veden nějakými jinými vedlejšími ohledy.

Vezměme případ podle obr. 2, kdy v toroidálním vybrání 2 se právě nachází kladně rotující prstencový vír 103, který zde byl vytvořen, když přítok 100 tekutiny nastal současně s výtokem z kladných řídicích trysek 3. Jakmile dojde ke kolizi proudu vyteklého z anulámí trysky 1 s tímto kladně rotujícím prstencovým vírem 103, nemůže ovšem proud pokračovat dále ve svém původním směru beze změny. Dojde kjeho deformaci v radiálním směru. Vzhledem ke kladně rotujícímu prstencovému víru 103 půjde o deformaci směrem ven od osy H· Přitom tečným silovým působením předává proud prstencovému víru 103 část své energie a tím prstencový vír 103 udržuje v rotaci. Na druhé straně dojde k tomu, že tekutina obchází vývodní těleso 20 po jeho vnější straně jako vnější výtok 230.

Vezměme naopak případ, kdy v toroidálním vybrání 2 se právě nachází záporně rotující prstencový vír 104, který zde byl vytvořen, když přítok 100 tekutiny nastal současně s výtokem ze záporných řídicích trysek 4. Pak se tento záporný charakter rotace v toroidálním vybrání 2 udrží, i když výtok ze záporných řídicích trysek 4 pomine. Jakmile dojde ke kolizi proudu vyteklého z anulámí trysky 1 se záporně rotujícím prstencovým vírem 104, a dojde také k deformaci proudu. I tentokrát jeho proudění bude záporně rotujícím prstencovým vírem 104 nasměrováno radiálně, ale v tomto případě směrem k ose 11. I tímto tečným působením předává proud prstencovému víru 104 část své energie a tím prstencový vír 104 udržuje v rotaci, avšak nyní dojde ke zmenšení průměru mezikruhového proudu. Proud prochází jako vnitřní výtok 240 středovým kanálem 22 ve vývodním tělese 20.

Důležité je, že tyto podstatné změny v charakteru proudění jsou důsledkem jen docela malých výtoků z řídicích trysek 3 nebo 4. Tyto malé řídicí výtoky způsobí vytvoření jednoho ze dvou stavů prstencového víru 103 nebo 104 a vlastní provádění průtoku procházející tekutiny je způsobeno interakcí prstencovým vírem 103 nebo 104. Jeden ze dvou stavů prstencového víru 103 nebo 104 se podrží dokonce, i když výtok z řídicích trysek 3 nebo 4 pomine. Tekutina je tak vedena do žádoucí lokality i při nulovém přiváděném řídicím příkonu.

Vzájemná poloha anulární trysky 1 a toroidálního vybrání 2 může být taková, že v toroidálním vybrání 2 se po každém výtoku z anulámí trysky 1 vytvoří i bez jakéhokoliv výtoku z řídicích trysek vždy jen kladně rotující prstencový vír 103 podle obr. 2. Bude tomu tak zejména, bude-li průměr vnější vstupní hrany 130 podle obr. 1 menší ve srovnání s průměrem ústí anulámí trysky 1. V takovém uspořádání nejsou vůbec zapotřebí kladné řídicí trysky 3, ale v zařízení budou jen záporné řídicí trysky 4. Pokud nejsou aktivovány, nastává vždy vnější výtok 230 kolem vývodního tělesa 20. Ke změně režimu dojde výtokem ze záporných řídicích trysek 4, který kladně rotující prstencový vír 103 zastaví a v toroidním vybrání 2 vyvolá záporně rotující prstencový vír 104 a jako důsledkem zmenšení průměru mezikruhového proudu, jenž pak prochází jako vnitřní výtok 240 středovým kanálem 22 ve vývodním tělese 20.

Samozřejmě naopak vzájemná poloha anulámí trysky i a toroidálního vybrání 2 může být taková, že v toroidálním vybrání 2 se bez výtoku z řídicích trysek vytvoří vždy jen záporně rotující prstencový vír 104 jaký je znázorněn na obr. 3. Bude tomu tak zejména, bude-li průměr vnitřní vstupní hrany 140 podle obr. 1 větší ve srovnání s průměrem ústí anulární trysky 1. Pak ovšem nejsou vůbec zapotřebí záporné řídicí trysky 4, ale v zařízení budou jen kladné řídicí trysky 3. Pokud do nich není přiveden řídicí průtok, tekutina prochází jako vnitřní výtok 240 středovým kanálem 22 ve vývodním tělese 20. Aktivací kladných řídicích trysek 3 se vytvoří kladně rotující prstencový vír 103 jenž je udržován ve své kladné rotaci tečným silovým působením dopadajícího proudu z anulámí trysky 1, který předává prstencovému víru 103 část své energie a současně dojde k tomu, že veškerá tekutina obchází vývodní těleso 20 po jeho vnější straně jako vnější výtok 230. Na rozměrech popsaného uspořádání v zásadě nezáleží a lze je volit v širokém rozmezí. Jak ovšem bylo uvedeno výše, je zapotřebí, aby byly rozměry ve spojitosti s požadovaným průtokem tekutiny a její kinematickou viskozitou voleny tak, že hodnota Reynoldsova čísla se dostane větší než zhruba 1000.

-7 CZ 306551 B6

Příklad 2

Také tento příklad provedení je naznačen na třech obrázcích, v tomto případě obr. 4, 5 a 6. Účelem je především demonstrovat, že nový a neobvyklý funkční princip podle tohoto vynálezu, skutečně pracuje způsobem odpovídajícím popisu podstaty tohoto vynálezu. K této demonstraci je použito numerické řešení rychlostního pole v protékající tekutině, provedené renomovaným softwarem. Geometrie aktivní části u provedení, pro které byly výpočty provedeny, je nakreslena v měřítku na obr. 4, kde jsou rovněž vyznačeny důležité geometrické parametry. Je to zejména střední poloměr r anulární trysky 1 a poloměr r_T zaoblení toroidálního vybrání 2. Je patrné, že průměr D větší hlavní kružnice toru je zde

D = 2(r + r_T), kdežto průměr d menší hlavní kružnice toru je roven d = 2 r_T

V tomto uspořádání střed menší hlavní kružnice leží na menší radiální odlehlosti od osy 11, než je střední poloměr r anulární trysky 1, a sice o rozdíl Ar.

I v tomto příkladu provedení jde o uspořádání řízené přetlakovými signály přiváděnými alternativně buď do kladné řídicí trysky 3, nebo do záporné řídicí trysky 4. Ty jsou v tomto příkladu uspořádány jinak než v předcházejícím prvním příkladu provedení, a sice tak, že jejich ústí o stejné šířce b] = b₂jsou uspořádána na dně toroidálního vybrání 2 a směřují zde přímo proti sobě. Na jejich funkci se však tím nic podstatného nemění. Opět směr výtoku z nich je tečný k menší hlavní kružnici a ovlivňuje tak smysl rotace v toroidálním vybrání 2.

Výsledky provedených výpočtů pro takto provedené ústrojí podle tohoto vynálezu jsou zobrazeny na obr. 5 a obr. 6, a to prostřednictvím vypočtených trajektorií částic tekutiny Na obr. 5 jde o situaci, kdy je řídicí průtok zaveden do kladné řídicí trysky 3, takže v toroidálním vybrání 2 se vytvořil otáčející se stacionární kladně rotující prstencový vír 103. Výpočet názorně demonstruje, jak dojde k deformaci mezikruhového proudu tvořeného výtokem tekutiny z anulární trysky 1, a sice deformaci takové, že jeho průměr se zvětší. Kladně rotujícím prstencovým vírem 103 je tedy tekutina nasměrována ven od osy 11 a obchází vývodní těleso 20 po jeho vnější straně jako vnější výtok 230 podle obr. 2. Za pozornost může stát světleji zakreslená vypočtená trajektorie části tekutiny opouštějící kladnou řídicí trysku 3. Tato jediná trajektorie prochází středovým kanálem 22 ve vývodním tělese 20. Jedná se ovšem o velmi malou průtočnou hmotnost takto procházející, prakticky zanedbatelnou proti průtočné hmotnosti tekutiny vytékající z anulární trysky 1. Úpravou poměrů v ústrojí by ovšem bylo možné i tuto malou průtočnou hmotnost potlačit nebo zcela odstranit, například zvětšením rychlosti výtoku z anulární trysky 1 dosažené zvýšením tlaku přiváděné tekutiny. Tím se zvětší přisávací účinek tohoto výtoku.

Na následujícím obr. 6 jsou zobrazeny obdobně jako na přecházejícím obrázku vypočítané trajektorie částic tekutiny v ústrojí podle vynálezu s geometrií aktivních částí opět odpovídající obr. 4. Tentokrát však jde o výpočet provedený v případě, kdy je malý řídicí průtok zaveden do záporné řídicí trysky 4 a tím se v toroidálním vybrání 2 vytvořil záporně rotující prstencový vír 104. Z průběhu výpočtem získaných trajektorií částic tekutiny je zde názorně patrné, jak v tomto případě všechna tekutina prochází jako vnitřní výtok 240 podle obr. 3 středovým kanálem 22 podle obr. 3 ve vývodním tělese 2 podle obr. 1.

Výpočty byly provedeny pro následující hodnoty: poloměr r = 19,5 mm ústí anulární trysky 1 podle obr. 4, šířka b = 1 mm ústí anulární trysky 1 podle obr. 4, odlehlost s = 8 mm vývodního tělesa 20 od přívodního tělesa 10 podle obr. 4, poloměr r_T = 2,17 mm menší hlavní kružnice toroidálního vybrání 2, šířka ústí fy = 0,14 mm kladné řídicí trysky 3 a šířka fy ústí = 0,14 mm záporné řídicí trysky 4, a konečně rozdíl poloměrů Ar = 0,6 mm. Dále byly použity následující rozměry: vnější průměr 43,6 mm vývodního tělesa 20, celková axiální délka 31,3 mm vývodního tělesa 20, a průměr 31,8 mm středového kanálu 22 ve vývodním tělese 20. Výpočet byl proveden

- 8 CZ 306551 B6 pro rychlost výtoku z ústí anulámí trysky 1 rovnou 19 m/s. Tekutinou byl vzduch s kinematickou viskozitou 14,61.10 ⁵ m²/s, takže výše zmiňovaný kriteriální parametr, Reynoldsovo číslo mělo hodnotu 1300.

Příklad 3

V tomto příkladu provedení je ústrojí podle tohoto vynálezu použito v rozváděcím ventilu se dvěma funkčními režimy. Příklad je naznačen na následujících dvou obrázcích, obr. 7 a obr. 8. Klíčový význam určující funkci takového ventilu mají jeho součástky, které zde jsou zcela stejné jako na obr. 2 a obr. 3. Je to přívodní těleso 10 na levé straně obou těchto obrázků, s anulámí tryskou 1 podle obr. 1, a naproti ní vývodní těleso 20 v pravé části obou obrázků. Zatímco čelní část vývodního tělesa 20 je stejná jako na obr. 1 a zejména je zde stejně provedeno toroidální vybrání 2 a také jsou stejné kladná řídicí tryska 3 i záporná řídicí tryska 4, je nyní tvarování vývodního tělesa 20 složitější. Na jeho středový kanál 22 je zde napojeno potrubí tvořící druhý vývod 24. To jde zde ohnuto do pravého úhlu vzhledem k ose 11 a vyvedeno ven z vývodního tělesa 20. Dále je zde okolo centrální části vývodního tělesa 20 proveden kolektor 233, jehož dutina je napojena na první vývod 23, směřující ve směru osy 11.

Na obr. 7 je tento rozváděči ventil naznačen v prvním funkčním režimu, kdy v toroidálním vybrání 2 je stojící, ale ovšem rotující, prstencový vír s kladnou orientací rotace. Jak je popsáno u obr. 2, tento kladně rotující prstencový vír 103, vytvořený díky výtoku z kladné řídicí trysky 3, je vystaven dopadu mezikruhového proudu vyteklého z anulámí trysky 1. Dojde k deformaci tohoto proudu, a sice ke zvětšení jeho průměru.

Proud vytváří vnější výtok 230 stejně jako na obr. 2. U tohoto příkladu provedení na obr. 7 je však vnější výtok 230 zachycen kolektorem 233 a je pak dále vyveden do prvního vývodu 23 ventilu.

Na následujícím obr. 8 je tatáž ukázka rozváděcího ventilu znázorněná ve druhém svém funkčním režimu. V důsledku výtoku ze záporné řídicí trysky 4 je v toroidálním vybrání 2 podle obr. 1 záporně rotující prstencový vír 104. Ten je i zde vystaven dopadu mezikruhového proudu vyteklého z anulámí trysky 1. Tento anulámí proud je po setkání s dostředivým radiálním prouděním záporně rotujícího prstencového víru 104 deformován tak, že dochází ke zmenšení jeho průměru. Podobně jako na obr. 6 všechna tekutina v tomto režimu prochází jako vnitřní výtok 240 středovým kanálem 22 ve vývodním tělese 20 a odtud proudí do druhého vývodu 24 tohoto ventilu.

Ventil podle tohoto příkladu provedení může být proveden stejně jako jiné klasické rozváděči ventily ve velkém rozsahu rozměrů, od několika málo milimetrů až po délku řády metrů, neboť v něm využitý výše popsaný mechanismus rozváděcího působení na řízený průtok není nijak rozměrově omezen. Podmínkou pouze je, aby protékající tekutina nebyla příliš viskózní, neboť v extrémně viskózní kapalině by se nemohly vytvořit a udržet prstencové víry. Kritériem je výše zmiňovaná hodnota Reynoldsova čísla, které by nemělo být malé.

Příklad 4

Na obr. 9 jsou zobrazeny základní části zařízení, které v tomto případě slouží k řízenému ovládání proudění vzduchu v elektrickém ohřívači sloužícím k ohřevu kabiny posádky. Geometrie těchto základních částí zcela odpovídá již výše popsanému provedení, znázorněném na obr. 4. Nové zde je pouze to, že ve středovém kanálu 22 vývodního tělesa 20 je umístěna topná spirála 5, kterou prochází elektrický proud a tím ji ohřívá.

Průtokem topnou spirálou 5 se zde vytváří proud teplého vzduchu, který má svým tepelným účinkem dosáhnout až do značné osové vzdálenosti. Přitom rychlost vzduchového proudu je rela

-9CZ 306551 B6 tivně malá, neboť rychlé proudění vzduchu v kabině by u posádky vedlo k nepříjemným pocitům. Požaduje se, aby tepelný účinek vzduchového proudu byl regulován, a to tak, že elektrický proud v topné spirále 5 je neměnný a regulace se tedy děje změnami na straně procházejícího vzduchu. Známý způsob takové regulace spočívá ve změně rychlosti průtoku vzduchu. To však není při zmíněné malé rychlosti vzduchového proudu vhodné. Zmenší-li se totiž rychlost vytékajícího proudu, převládne vztlakový účinek na vytékající teplý vzduch. Proud tak po opuštění tohoto zařízení stoupá vzhůru a neproudí v žádoucím dopředném směru. Nedosáhne potom do těch míst, kde má působit. V této situaci je právě vhodný dvourežimový způsob regulace pulzní šířkovou modulací průtoku, přičemž rychlost výstupního proudění je stálá a ovšem stálý je i elektrický proud v topné spirále 5. Požadovaná výsledná teplota se za určitý delší časový interval v místech dopadu vzduchového proudu dosáhne střídáním studených a teplých průtokových pulzů. Přitom šířka teplého průtokového pulzu, tj. doba jeho trvání, se zvětšuje, je-li požadován větší teplotní účinek. Naopak je-li požadován chladnější výsledný účinek, šířka pulzu se zkracuje. Neměnná rychlost proudění vzduchu přitom zůstává dostatečně vysoká na to, aby se tepelný vztlakový účinek neprojevil podstatnou měrou. Teplý průtokový pulz se zde dosáhne při takovém smyslu rotace prstencového víru, který je dosažený při výtoku z kladné řídicí trysky 3 a při kterém je přicházející mezikruhový vzduchový proud veden do středového kanálu 22 a prochází tedy topnou spirálou 5. Studený průtokový pulz se dostane tehdy, jestliže je zaveden řídicí vzduchový průtok do záporné řídicí trysky 4 a zařízením procházející a anulámí tryskou 1 podle obr. 1 vytékající mezikruhový vzduchový proud je po interakci s vírovým prstencem veden vně vývodního tělesa 20. Jak přívodní těleso 10, tak vývodní těleso 20 s topnou spirálou 5, jsou ve vzájemně souosé poloze upevněny uvnitř skříně topidla, jejíž uspořádání je nepodstatné a na obr. 9 není proto ani kreslena.

Tvary součástek v ověřovaném vzorku topidla byly prakticky shodné s tvary popsanými výše, v souvislosti s obrázky obr. 5 a obr. 6, avšak byly dvojnásobně velké, což například znamená, že průměr středového kanálu 22, z něhož vytékal ohřátý vzduch, byl 63,6 mm. Ukázalo se přitom, že aerodynamický odpor topné spirály 5 způsoboval, že oproti případu z obr. 5 a 6 bylo nutné k řízení teploty výrazně zvětšit průtok kladnou řídicí tryskou 3. Jednou konstrukční alternativou ochraňující tento efekt bylo zmenšení až na nulovou hodnotu rozdílu poloměrů Ar podle obr. 4. Ukázalo se však ještě výhodnější uspořádat topnou spirálu 5 tak, aby její aerodynamický odpor způsobil, že v toroidálním vybrání 2 se bez výtoku z řídicích trysek vytvoří vždy jen kladně rotující prstencový vír 103, podobný jaký je na obr. 2. Větší aerodynamický odpor se samozřejmě dostane, bude-li topná spirála 5 vytvořena svinutím z tlustšího odporového plechu nebo s těsnějšími závity. Pak ovšem nejsou vůbec zapotřebí kladné řídicí trysky 3, ale v zařízení postačila jen jedna anulámě tvarovaná záporná řídicí tryska 4. Tím se značně zjednoduší řídicí obvody generující a rozvádějící signály do řídicích trysek. Pokud do záporné řídicí trysky 4 nebyl přiveden řídicí průtok, vzduch obtékal vývodní těleso 20 po jeho vnější straně jako vnější výtok 230 a neohřál se od topné spirály 5. Aktivací záporné řídicí trysky 4 se kladně rotující prstencový vír 103 zastaví a poté se v toroidním vybrání 2 vyvolá záporně rotující prstencový vír 104. Jeho důsledkem je zmenšení průměru mezikruhového proudu, jenž pak prochází jako vnitřní výtok 240 středovým kanálem 22 ve vývodním tělese 20, kde se ohřeje od topné spirály 5.

Příklad 5

Na dále následujících pěti obrazcích, obr. 10 až obr. 14, je naznačeno uspořádání, kdy se průtok tekutiny v zařízení podle tohoto vynálezu řídí podtlakovými signály. Uzpůsobení pro tuto funkci spočívá v odlišném charakteru uspořádání čela vývodního tělesa 20, jak je naznačeno na obr. 10. Toroidální vybrání 2 je v tomto.provedení hlubší a vnější vstupní hrana 130 podle obr. 10 i vnitřní vstupní hrana 140, která není na obr. 10 možné dobře vyznačit, ale je lépe patrná na obr. 9, více obklopují toroidální vybrání 2. K ovládání smyslu rotace v toroidálním vybrání 2 v tomto případě slouží na jedné straně kladné podtlakové ústí 33, umístěné blízko vnější vstupní hrany 130, a na druhé straně záporné podtlakové ústí 44, umístěné blízko vnitřní vstupní hrany J40.

- 10CZ 306551 B6

Vytváření záporně rotujícího prstencového víru 104 v toroidálním vybrání 2 působením podtlaku v záporném podtlakovém ústí 44 je znázorněno na obr. 11. Tekutina vtékající do záporného podtlakového ústí 44 proudí do toroidálního vybrání 2 kolem vnitřní vstupní hrany 130 a působí tedy tangenciálním silovým účinkem na tekutinu, jež se v toroidálním vybrání 2 nachází. Toto silové působení je méně účinné než roztočení prstencového víru výtokem z řídicí trysky 3, 4, nicméně k dosažení požadované rotace postačuje. To je demonstrováno na příkladu konkrétní geometrie zachycené na obr. 12 výpočtem trajektorií proudící tekutiny, jehož výsledek je zobrazen na obr. 13. Výpočet opět byl proveden numerickým řešením prostřednictvím renomovaného softwaru, a sice konkrétně pro hodnoty parametrů vyznačených na obr. 14. Jde v zásadě o úpravu geometrie provedení z obr. 4. Je zde proto i stejný poloměr r = 19,5 mm ústí anulámí trysky 1 i šířka ústí této anulámí trysky 1. Odlehlost s = 7,26 mm vývodního tělesa 20 od přívodního tělesa 10 podle obr. 4 však byla poněkud zmenšena. Naproti tomu poloměr r₄ = 2,17 mm menší hlavní kružnice toroidálního vybrání 2 zůstal stejný. Vstupní hrany 130 a 140 podle obr. 1 zde však obklopují menší hlavní kružnici toroidálního vybrání 2 na větším úhlu. Zatímco na obr. 4 mělo toroidální vybrání 2 charakter právě jedné poloviny toru, neboť menší hlavní kružnice toroidálního vybrání 2 byla obklopena materiálem vývodního tělesa 20 na úhlu 180 stupňů, v případě obr. 14 jde o větší úhel 220 stupňů, neboť na obr. 14 naznačený úhel a má velikost na vnější i vnitřní straně právě 20 stupňů. Obě vstupní hrany 130 a 140 podle obr. 1 jsou dále určeny symetrickým sklonem x = 60 stupňů a také vzdáleností u = 0,74 mm. Přechod z tohoto sklonu γ do válcových povrchů vývodního tělesa 20 a středového kanálu 22 je zaoblen poloměrem r_u = 4 mm.

Šířky kladného podtlakového ústí 33 podle obr. 10 i záporného podtlakového ústí 44 podle obr. 10 jsou na obr. 14 definovány úhlem β, který zde má velikost 16 stupňů. Rozdíl poloměrů Ar = 0,6 mm jak byl definován na obr. 4 je zde stejný. Poloměr válcové části středového kanálu 22 ve vývodním tělese 20 má velikost £22 =15,8 mm, zatímco poloměr vnější válcové části vývodního tělesa 20 je 22 mm.

Příklad 6

Poslední příklad provedení ústrojí podle vynálezu je znázorněno na obr. 15. Jedná se o uplatnění v katalytickém reaktoru pro automobilový motor, ve kterém probíhají chemické reakce potlačující generování škodlivých komponent vypouštěných z výfuku motoru do atmosféry. Reakce probíhají za přítomnosti heterogenního katalyzátoru, který je imobilizován na povrchových plochách matrice monolitického reaktoru 6. Ta tvoří soustavu kanálků pro průtok výfukových plynů, jak je u katalytických reaktorů běžné. Neobvyklé u popisovaného uspořádání je to, že matrice monolitického reaktoru 6 zde prochází obtoková trubice 66. Na vstupním konci obtokové trubice 6 je umístěno vlastní zařízení podle tohoto vynálezu s toroidálním vybráním 2 opatřeným podobně jako na obr. 10 jednak kladným podtlakovým ústím 33, jednak záporným podtlakovým ústím 44. Toroidální vybrání 2 je i zde umístěno proti anulární trysce 1.

Katalyzátory obvykle fungují jen v určitém rozmezí pracovních teplot. Je-li teplota výfukových plynů, přiváděných do anulární trysky 1, nižší než spodní mez tohoto rozmezí, k žádoucí chemické reakci nedochází. Proto bývá účelné umístit odpovídající katalytický reaktor co nejblíže motoru, aby přiváděné výfukové plyny měly teplotu co nejvyšší. To ovšem znamená, že po určité době jízdy s motorem pracujícím v režimu velkého výkonu se katalyzátor může dostat na takovou teplotní úroveň, nad níž nebude správně fungovat, resp. může dojít k jeho teplotnímu poškození. Tomu napomáhá i okolnost, že přinejmenším některé z chemických reakcí probíhajících v matrici monolitického reaktoru 6 jsou reakce exotermní, generující teplo. Poškození katalyzátoru v této situaci se odpomůže tím, že výfukové plyny nejsou v takovém režimu vedeny kanálku v matrici monolitického reaktoru 6, ale jsou vedeny obtokovou trubicí 66. Žádoucí úprav, složení výfukových plynů se pak musí dosáhnout jinak, například v jiném reaktoru umístěném v jiné teplotní zóně výfukového systému. Když teplota výfukových plynů opět poklesne, zavedou se opět do matrice monolitického reaktoru 6. K tomuto dvourežimovému ovládání proudění výfukových plynů lze použít klasické mechanické ventily, ale to je nevýhodné. Jsou relativně drahé, zejména

-11 CZ 306551 B6 vzhledem k požadavku schopnosti pracovat při velmi vysokých teplotách, a choulostivé, např. se na jejich životnosti nepříznivě projevují nevyhnutelné mechanické vibrace, jimž jsou vystaveny. Jejich náhrada zařízením podle tohoto vynálezu, jak je naznačena na obr. 14, přináší tedy řadu výhod. Ústrojí může být řízeno tlakovým vzduchem, zejména u nákladních vozů, kde bývá k dispozici tlakový vzduch z brzdové soustavy. Nicméně na obr. 14 jde o řízení podtlakovými signály, jak je popsáno výše v příkladu 5. Podtlak je k dispozici v sání spalovacího motoru. Zkušenosti sice ukazují, že podtlakové řízení vyžaduje relativně velké řídicí průtoky ve srovnání s přetlakovým řízením, ale to u spalovacích motorů není problém, neboť tam je naopak žádoucí recirkulace části výfukových plynů do sání motoru.

Těleso zkušebního testovacího provedení katalytického reaktoru s dvourežimovým ovládáním proudění výfukových plynů, jež je znázorněno na obr. 15, bylo zhotoveno z podstatné části z ocelového plechu, až na vložené části přívodního tělesa 10 a vývodního tělesa 20, které s ohledem na jednoduché zhotovení zkušebního vzorku byly soustružené. Průměr přívodního i vývodního potrubí byl 58 mm, vnitřní průměr tělesa reaktoru byl 154 mm, délka matrice monolitického reaktoru 6 ve směru proudění byla 172 mm. Šířka štěrbiny ústí anulární trysky 1 byla 6,5 mm. Tyto uvedené poměrně značné rozměry byly dány zamýšleným zkušebním použitím u většího motorového vozidla.

Průmyslová využitelnost

Oblast průmyslového využití předmětu tohoto vynálezu je velice široká, lze uvažovat o uplatnění ve všech případech, kde jsou dnes používány klasické rozváděči ventily. Vzhledem k malé celkové hmotnosti, výhodnému malému potřebnému řídicímu příkonu, rychlé reakci na změny řídicího signálu a takovým vlastnostem jako odolnost vůči vysokým teplotám se počítá s primárním uplatněním u motorových vozidel.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob dvourežimového řízení průtoku tekutin, vyznačující se tím, že z tekutiny, jejíž proudění je ovládáno, se vytváří tekutinový proud s mezikruhovým průřezem, jenž se směruje proti toroidálnímu vybrání, ve kterém se řídicím účinkem vytvoří stacionární prstencový vír, který interaguje s mezikruhovým proudem tak, že jej přiměje ke změně průměru, a to změně závislé na orientaci rotace v toroidálním vybrání.
2. Způsob dvourežimového řízení průtoku tekutin podle nároku 1, vyznačující se tím, že řídicí účinek se dosáhne výtokem tekutiny z alespoň jedné kladné a/nebo záporné řídicí trysky směrované do toroidálního vybrání, s výhodou ve směru tečny k menšímu z obou hlavních průměrů toroidu.
3. Způsob dvourežimového řízení průtoku tekutin podle nároku 1, vyznačující se tím, že řídicí účinek se dosáhne podtlakem působícím v alespoň jednom kladném a/nebo záporném ústí umístěném v toroidálním vybrání u jedné či obou jeho vstupních hran.
4. Zařízení pro provádění způsobu dvourežimového řízení průtoku tekutin podle nároku I, vyznačující se tím, že zahrnuje přívodní těleso (10) a vývodní těleso (20), přičemž v přívodním tělese (10) je vytvořena pro výtok tekutiny anulámí tryska (1) s ústím majícím tvar mezikruží a ve vývodním tělese (20) jsou vytvořeny jednak středový kanál (22), jednak proti anulámí trysce (1) umístěné toroidální vybrání (2), ohraničené vnější vstupní hranou (130) a vnitřní vstupní hranou (140) a opatřené řídicím ústrojím.

- 17 CZ 306551 B6
5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že řídicím ústrojím je alespoň jedna kladná řídicí tryska (3) napojená na zdroj přetlakového řídicího signálu druhou dutinou (220) a/nebo alespoň jedna záporná řídicí tryska (4) napojená na zdroj jiného přetlakového řídicího signálu první dutinou (210), přičemž každá dutina (210, 220) je umístěna uvnitř vývodního tělesa (20) a každá řídicí tryska (3, 4) vystupuje do toroidiálního vybrání (2) a je s výhodou tvarována a směrována tak, že její ústí směřuje s výhodou tečně k menší hlavní kružnici toru a v případě přítomnosti alespoň jedné kladné řídicí trysky (3) a alespoň jedné záporné řídicí trysky (4) směřují ústí obou řídicích trysek (3, 4) naproti sobě a toroidální vybrání (2) má dutý tvar má tvar o rozměrech odpovídajících minimálně 40ti procentům, ale méně než 90ti procentům toru, přičemž řídicím ústrojím je s výhodou pouze alespoň jedna záporná řídicí tryska (4) napojená na první dutinu (210) jen pokud je průměr vnější vstupní hrany (130) menší než dvojnásobek středního poloměru r anulámí trysky (1) a řídicím ústrojím je s výhodou pouze alespoň jedna kladná řídicí tryska (3) napojená na druhou dutinu (220) jen pokud je dvojnásobek středního poloměru r anulámí trysky (1) větší než průměr vnitřní vstupní hrany (140).
6. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že řídicím ústrojím je alespoň jedno kladné podtlakové ústí (33) ústící do toroidálního vybrání (2) za vnější vstupní hranou (130) a/nebo alespoň jedno záporné podtlakové ústí (44) ústící do toroidálního vybrání (2) za vnitřní vstupní hranou (140), každé z ústí (33, 44) napojené na svůj zdroj podtlakového řídicího signálu, přičemž toroidální vybrání (2) má tvar o rozměrech odpovídajících více než 50ti procentům, ale méně než 90ti procentům toru.
7. Zařízení podle některého z nároků 4 až 6, vyznačující se tím, že zahrnuje kolektor (233), první vývod (23) a druhý vývod (24), přičemž kolektor (233) je umístěn okolo vývodního tělesa (20) a jeho dutina je napojena na první vývod (23), kdežto druhý vývod (24) je napojen na středový kanál (22).
8. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 4 až 7, vyznačující se tím, že hodnota Reynoldsova čísla počítaná ze šířky ústí anulámí trysky (1) a z rychlosti výtoku z této anulámí trysky (1) je s ohledem na viskozitu tekutiny větší než 1000.