DE102004059851A1

DE102004059851A1 - Behältnis für ein Fluid und Verfahren zum Ausströmenlassen eines Fluids aus einem Behältnis

Info

Publication number: DE102004059851A1
Application number: DE200410059851
Authority: DE
Inventors: Wilfried Ring
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-06-14

Abstract

Behältnis für ein Fluid, bei welchem im Zulaufbereich zu einem Auslass Mittel zum tangentialen, rotatorischen Beschleunigen eines aus dem Behältnis ausströmenden Fluids durch den Auslass vorgesehen sind.

Description

In vielen Bereichen stellt sich regelmäßig die Aufgabe, Fluide aus Behältern zu entnehmen, sei es um diese weiter zu verarbeiten, zu entsorgen oder für andere Zwecke. Als Fluide treten hier sowohl Gase als auch Flüssigkeiten auf.

Das Entnehmen aus dem Behälter geschieht je nach Anwendungsfall durch Anlegen eines Überdrucks innerhalb des Behälters, durch Anlegen eines Unterdrucks außerhalb des Behälters oder einfach durch Vorsehen eines Ausflusses, der es dem Fluid unter Nutzung der Schwerkraft erlaubt, bezüglich der geodätischen Höhe nach unten aus dem Behälter auszulaufen.

Die Aufgabe tritt sowohl in Privathaushalten als auch bei gewerblicher Anwendung in vielfältigster Weise auf.

Aus verschiedenen Gründen kann es erwünscht sein, das Austreten des Fluids aus dem Behälter so schnell wie möglich geschehen zu lassen. Insbesondere bei industrieller Anwendung, also beispielsweise wenn ein Fluid aus einem Vorratsbehälter zum Weiterverarbeiten oder als Hilfsstoff für einen anderen Prozess entnommen werden soll, sind mit einer möglichst schnellen Entnahme des Fluids aus dem Behälter auch finanzielle Vorteile verbunden. Beispielsweise sind Konstellationen denkbar, in welchen durch ein Ausflussrohr mit vorgegebenem freien Durchmesser eine Flüssigkeit mit vorgegebener Strömung austreten soll. Wenn der durch Schwerkraft im Wasser erzeugte hydrostatische Druck auf der Höhe der Ausfließstelle nicht ausreicht, um den Ausflussvorgang ausreichend schnell zu gestalten, muss eine Pumpe vorgesehen werden. Wenn es gelingt, den Betrag der Ausfließströmung auf andere Weise in den Zielkorridor zu bewegen, können die Kosten für eine solche Pumpe vermieden werden. Hinzu kommt, dass eine Pumpe naturgemäß störungsanfällig ist, sodass es bei ihrem Ausfall zu Prozessfehlern kommen kann.

In Privathaushalten führt es demgegenüber oft nur zu einem Komfortgewinn, so wäre es sicherlich oft wünschenswert, dass eine Badewanne, eine Duschtasse oder ein Spülbecken auch unter alleiniger Nutzung der Schwerkraft schneller ausläuft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, auf einfache und betriebssichere Weise ein schnelles Ausfließen eines Fluids aus einem Behältnis zu ermöglichen.

Diese Aufgabe löst ein Behältnis für ein Fluid, bei welchem im Zulaufbereich zu einem Auslass Mittel zum tangentialen, rotatorischen Beschleunigen eines aus dem Behältnis ausströmenden Fluids durch den Auslass vorgesehen sind.

Fluidbehältnisse der verschiedensten Art wurden vorstehend bereits angesprochen und bedürfen keiner weiteren Erläuterung. Begrifflich sei jedoch erläutert, welche Öffnung eines Behältnisses als Auslass im Sinne der Erfindung zu verstehen ist:

Als Auslass wird jedenfalls diejenige Öffnung eines Behältnisses verstanden, durch welche Wasser aufgrund der Schwerkraft ausströmt, und zwar unabhängig davon, ob eine Pumpe vorgesehen ist oder nicht. Wenn eine Pumpe am Behältnis vorgesehen ist, können alle diejenigen Öffnungen an einem Behältnis als Ausfluss in Betracht kommen, deren lotrechte geodätische Höhe geringer ist als die Druckhöhe eines im Behältnis befindlichen Fluids nach Erhöhen des Drucks durch die Pumpe. Insofern kann auch ein „oben" an einem Behältnis angeordneter Anschluss als Auslass im Sinne der Erfindung dienen, wenn denn im Betrieb des Behältnisses das in ihm befindliche Fluid durch den Auslass hinaus strömt.

Standardfälle von Ausflüssen sind die zentralen am unteren Ende angeordneten Öffnungen von Silos, die an der unteren vorderen Kante eines Bulkcontainers vorgesehene Ausflussöffnung, der untere Ausfluss eines Spülbeckens, die Öffnung einer kopfüber gehaltenen Flasche oder der am unteren Ende einer Staumauer oder eines Stauwehrs vorgesehene Entlastungskanal.

Nach einem wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt ihr die Erkenntnis zugrunde, dass ein Fluid, welches mit einer ringförmigen Strömung in ein weiterführendes Element eintritt, dieses mit gegenüber herkömmlich turbulenter Strömung deutlich vergrößerter Geschwindigkeit und Strömung durchfließt. In besonderem Maße ist dies der Fall, wenn das austretende Fluid eine große Zahl von Stromlinien aufweist, die im Zulaufbereich zum Auslass und insbesondere unmittelbar am Auslass zumindest in etwa zylindrische oder keglige Formen zum Auslass hin beschreiben.

Durch das gezielte Beschleunigen der auf den Auslass zuströmenden Fluidmenge in einer solchen Weise, dass eine Strombahn angenommen wird, die sich gegenüber einer Achse des fortführenden Rohrs am Auslass rotatorisch um dessen Längsachse dreht, wenn sie zum Auslass gelangt, wird die starke Beschleunigung des Gesamtausfließens betriebssicher erreicht.

Beispielsweise können an der Innenseite des Behältnisses an seinen Wandungen in der Nähe des Auslasses spiralförmige Leitwände angeordnet sein.

Es versteht sich, dass spiralförmige Leitwände ebenso gut innerhalb des Innenraums des Behältnisses vorgesehen sein können. Die Leitwände sind bevorzugt über lange Strecken durchgehend, können aber durchaus auch regelmäßig oder unregelmäßig unterbrochen sein, solange sich nur mehrere Leitwandstücke finden, die sich zu einer Leitwandstückschar zusammenfassen lassen, innerhalb derer die einzelnen Wandstücke zumindest im Wesentlichen tangential zu einer durchgehenden, gedachten Spirallinie liegen.

Neben jeglicher Art von passiven Strömungslenkern können alternativ und kumulativ auch aktive Strömungslenker verwendet werden. Hier kommen beispielsweise angetriebene Propeller und Düsen in Betracht. Generell kann auf vielfältige Weise durch externe Energiezufuhr ein Drall auf die Flüssigkeitssäule vor dem Auslass des Behältnisses gebracht werden, sodass die Flüssigkeitssäule wiederum eine rotatorische Gesamtbewegung um den Auslass herum einnimmt, wenn es auf diesem Zuströmt.

Eine gewisse rotatorische Bewegung tritt üblicherweise von selbst auf, wenn ein Behältnis unter Schwerkraft ein Fluid zu einem am unteren Boden des Behältnisses liegenden Auslass ausströmen lässt. Dieser Effekt ist beispielsweise beim Auslaufen von Wasser aus einer Haushaltsspüle oder Badewanne zu beobachten und dadurch zu erkennen, dass sich ein schiefer, in seiner Achse mindestens eindimensional gekrümmter Kegel aus Luft zwischen der Wasseroberfläche und einem Punkt innerhalb des vom Auslass wegführenden Rohrs ausbildet, wobei der Kegel an der Wasseroberfläche seinen großen Durchmesser hat und in den Auslass hinein spitz zuläuft. Diese Erscheinung wird nach herrschender Meinung der Coriolis-Kraft zugeschrieben.

Die Coriolis-Kraft reicht jedoch für eine spürbare Beschleunigung des Ausströmens des Fluids nicht aus.

Die tatsächliche Beschleunigung des Austretens mit einer stark rotatorischen Strömung kann besonders gut beim Ausfließen eines Fluids aus einem Behältnis beobachtet werden, wenn das Behältnis an einer Stelle, die einen geringeren Fluiddruck aufweist als der Druck an der Stelle des Auslasses, eine Fluidnachführung aufweist. Beispielsweise kann beim Ausfließen eines Fluids aus einem ansonsten geschlossenen Behältnis durch ein am unteren Ende vorgesehenes Loch als Fluidnachführung an der oberen Seite des Behältnisses ein zweites Loch vorgesehen sein. Beim Ausfließen von Wasser aus dem Behältnis kann an der Oberseite in diesem Falle leicht Luft in das Behältnis nachgezogen werden, sodass eine Unterdruckerscheinung innerhalb des Behältnisses – verbunden mit einer Druckminderung im ausströmenden Fluid am Auslass und somit weiterhin verbunden mit einer Verlangsamung des Ausströmens – vermieden wird. Wenn die obere Fluidnachführung nicht vorgesehen ist, nimmt das Ausströmen des Fluids am Auslass infolge seiner im Inneren herrschenden Reynolds'schen Energiehöhe, die in diesem Falle entsprechend verkleinert wird, weil der statische Druck nachlässt, eine geringere Ausdrucksgeschwindigkeit an.

Im Extremfall kann der Unterdruck so sehr auf das ausströmende Fluid wirken, dass dieses zeitweise angehalten wird und nur pulsatorisch aus dem Behältnis ausströmt. Es strömt also immer eine gewisse Menge aus, bis es zu einem Stillstand oder Quasistillstand kommt. Daraufhin bahnt sich eine Luftblase gegen die Ausströmrichtung durch den Auslass einen Weg in das Behältnis hinein, woraufhin der Unterdruck im Inneren des Behältnisses abnimmt oder aufgehoben wird. Im Anschluss daran strömt der nächste Puls des Fluids aus dem Behältnis aus. Dieser Effekt kann beispielsweise beim Ausgießen einer herkömmlichen Wasserflasche mit dem Hals nach unten deutlich beobachtet werden.

Die vorgeschlagene Erfindung schafft dadurch Abhilfe, dass das den Auslass rotatorisch anströmende Fluid auch innerhalb des Auslasses und des gegebenenfalls vorhandenen weiterführenden Rohrs eine ungleichmäßige Druckverteilung annimmt: durch die Kreisbewegung setzt ein zentrifugaler Effekt im Fluid ein, der den hydrodynamischen Druck im Auslass und/oder im Rohr am Rand beträchtlich ansteigen lässt, entlang der Mittelachse jedoch gegenüber hydrostatischen Verhältnissen oder gegenüber ansonsten herrschenden Druckverhältnissen beim Ausfluss erheblich vermindert. Hierdurch hat es einströmende Luft leichter, sich einen Weg gegen die Strömungsrichtung in das Behältnis hinein zu bahnen. Insbesondere kann einströmende Luft gegen das permanent ausströmende Fluid durch die Mitte des Rohres und/oder durch die Mitte des Auslasses ins Innere hinein strömen, während das Fluid entlang der Außenwand und somit um die ihm entgegenströmende Luft aus dem Behältnis hinaus strömt.

Auch dieser Effekt kann sehr anschaulich verdeutlicht werden, wenn das Ausfließen von Wasser aus einer herkömmlichen Flasche näher betrachtet wird: so wird das pulsatorische – langsame – Ausströmen des Wassers aus der Flasche vermindert oder sogar permanent verhindert, wenn die Flasche bezüglich ihrer Rotationssymmetrieachse schnell kreisförmig bewegt wird. Die kreisförmige Bewegung übt eine zentripetale Beschleunigung auf das Wasser im Inneren der Flasche aus, sodass dieses am Rand der Flasche ansteigt, sodass aber gleichzeitig im Bereich um die Rotationssymmetrieachse der Flasche ein sehr geringer Druck oder sogar ein wasserfreier Luftraum hervorgerufen wird. An dieser Stelle bildet sich dann eine permanente in etwa zylindrische, ohne festen Rand gebildete Luftröhre von der Öffnung der Wasserflasche an ihrem unteren Ende bis hinein zum vom Wasser befreiten Luftraum am oberen Ende am Boden der Flasche. Das Wasser strömt nicht mehr pulsatorisch heraus, sondern stetig. Die Ausströmzeit verringert sich ganz erheblich.

Es sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Beschleunigung des Ausströmens dann am größten ist, wenn bereits zu Beginn des Ausströmens die beschriebene Luftverbindung in das Behältnis hinein gebildet ist. Durch jegliche bewusste Lenkung der Strömung zu einem rotatorischen Anströmverhalten hin wird jedoch der reine Coriolis-Effekt schon verstärkt, sodass es gegenüber einem unbeeinflussten Zustand zu einem früheren und besseren stetigen Ausströmen kommt.

Claims

Behältnis für ein Fluid, bei welchem im Zulaufbereich zu einem Auslass Mittel zum tangentialen, rotatorischen Beschleunigen eines aus dem Behältnis ausströmenden Fluids durch den Auslass vorgesehen sind.
Behältnis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel beim Ausströmen eine große Zahl von Stromlinien hervorrufen, die im Zulaufbereich zum Auslass und insbesondere unmittelbar am Auslass zumindest in etwa zylindrische oder keglige Formen zum Auslass hin beschreiben.
Behältnis nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch an der Innenseite des Behältnisses an Wandungen in der Nähe des Auslasses vorgesehene spiralförmige Leitwände.
Behältnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch spiralförmige Leitwände innerhalb eines Innenraums des Behältnisses.
Behältnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leitwand über lange Strecken durchgehend verläuft.
Behältnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leitwand regelmäßig oder unregelmäßig unterbrochen ist, sich aber mehrere Leitwandstücke finden, die sich zu einer Leitwandstückschar zusammenfassen lassen, innerhalb derer die einzelnen Wandstücke zumindest im Wesentlichen tangential zu einer durchgehenden, gedachten Spirallinie liegen.
Behältnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch aktive Strömungslenker.
Verfahren zum Ausströmenlassen eines Fluids aus einem Behältnis, wobei das ausströmende Fluid im Zulaufbereich zu einem Auslass rotatorisch beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch externe Energiezufuhr ein Drall auf eine Flüssigkeitssäule vor dem Auslass des Behältnisses gebracht wird, sodass die Flüssigkeitssäule wiederum eine rotatorische Gesamtbewegung um den Auslass herum einnimmt, wenn es auf diesen zuströmt.