DE102012020689A1 - Jet nozzle for large penetration depths - Google Patents

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Abstract

Ein Diffusor (20) mit einem Düseneingang (22), einem Düsenausgang (23) und einem von dem Düseneingang (22) zum Düsenausgang (23) in eine Hauptströmungsrichtung (H) hin verlaufenden Strömungskanal (24), wobei der Strömungskanal (24) an seinen Querschnittsenden von Diffusorwänden (26) begrenzt ist und am Düseneingang (23) eine kleinere Querschnittsfläche (A) aufweist als am Düsenausgang (22), und wobei im Strömungskanal (24) innerhalb des Diffusors (20) ein Zentralkörper (275) angeordnet ist.A diffuser (20) with a nozzle inlet (22), a nozzle outlet (23) and a flow channel (24) running from the nozzle inlet (22) to the nozzle outlet (23) in a main flow direction (H), the flow channel (24) being on its cross-sectional ends are delimited by diffuser walls (26) and have a smaller cross-sectional area (A) at the nozzle inlet (23) than at the nozzle outlet (22), and a central body (275) is arranged in the flow channel (24) within the diffuser (20).

Description

Die Erfindung betrifft einen Diffusor und ein Verfahren zur Berechnung der Geometrie eines Diffusors.The invention relates to a diffuser and a method for calculating the geometry of a diffuser.

Düsen werden bei einer Vielzahl technischer Problemstellungen benötigt, zum Beispiel bei der Trocknung von Bauteilen aus großen Entfernungen. Eine Trocknung oder Temperierung von Bauteilen kann sowohl im Bereich der Karosserielackierung, der Glasherstellung oder auch im Bereich der Gebäudeklimatisierung notwendig sein. Dazu wird eine Düse benötigt, die aus einer möglichst großen Entfernung ein Gut effektiv und zielgerichtet trocknen und/oder belüften kann. Eine möglichst homogene Geschwindigkeitsverteilung einer Trockenluft am zu trocknenden Gut kann dabei von großer Bedeutung sein, zum Beispiel um ein möglichst gleichförmiges Trocknen des Gutes zu erzielen.Nozzles are needed for a variety of technical problems, for example when drying components from long distances. Drying or tempering of components can be necessary both in the field of body painting, glass production or in the field of building air conditioning. For this purpose, a nozzle is needed that can effectively and effectively dry and / or aerate a good from a distance as large as possible. A very homogeneous velocity distribution of a dry air on the material to be dried can be of great importance, for example to achieve the most uniform possible drying of the material.

Es sind Weitwurfdüsen bekannt, die von einem Fluid zum Trocknen eines entfernten Gutes durchströmt werden können. Solche Weitwurfdüsen weisen im Inneren einen Strömungskanal auf, dessen Querschnitt sich in Strömungsrichtung verringert. Nach dem physikalischen Strömungsprinzip einer Düse wird dabei das Fluid, das die Weitwurfdüse durchströmt, beschleunigt, während sein Druck abnimmt. Durch die Beschleunigung des Fluids können hohe Eindringtiefen erzeugt werden, die beim Trocknen von Gütern notwendig sind.There are jet nozzles known that can be traversed by a fluid for drying a distant good. Such jet nozzles have in the interior a flow channel whose cross-section decreases in the flow direction. According to the physical flow principle of a nozzle while the fluid flowing through the jet nozzle, accelerated while its pressure decreases. By accelerating the fluid, it is possible to produce high penetration depths, which are necessary for drying goods.

Aus der Druckschrift US 6,098,904 ist eine Düse bekannt, in der ein Druckverlust im Inneren der Düse minimiert wird. Dazu wird eine Düse mit einem sich verjüngenden Querschnitt verwendet, in der ein patronenförmiges Hindernis in den Strömungskanal eingebracht ist. Die Düse ist zur Verwendung bei Drücken von maximal 2 psi vorgesehen.From the publication US 6,098,904 a nozzle is known in which a pressure loss inside the nozzle is minimized. For this purpose, a nozzle with a tapering cross-section is used, in which a cartridge-shaped obstacle is introduced into the flow channel. The nozzle is intended for use at pressures of no more than 2 psi.

Die Druckschrift US 2006/0151633 betrifft eine Düse mit ausgangsseitigen Abrisskanten, die nach Innen geneigt sind. Dadurch entstehet ein Wirbelfeld, das das Strahlfeld im Nachlauf eines die Düse durchströmenden Fluids bestimmt.The publication US 2006/0151633 relates to a nozzle with exit-side rupture edges which are inclined inwards. This creates a vortex field that determines the beam field in the wake of a fluid flowing through the nozzle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Weitwurfdüse mit einer möglichst gleichförmigen Geschwindigkeitsverteilung im Fernfeld eines aus der Weitwurfdüse austretenden Fluids bereitzustellen, wobei ein Druckverlust zum Erreichen großer Eindringtiefen reduziert wird.The invention has for its object to provide a jet nozzle with a uniform distribution of velocity as possible in the far field of emerging from the jet nozzle fluid, wherein a pressure loss is reduced to achieve large penetration depths.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.This object is solved by the subject matters of the independent claims.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Diffusor mit einem Düseneingang, einem Düsenausgang und einem von dem Düseneingang zum Düsenausgang in einer Hauptströmungsrichtung hin verlaufenden Strömungskanal, wobei der Strömungskanal an seinen Querschnittsenden von Diffusorwänden begrenzt ist und am Düseneingang eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als am Düsenausgang, und wobei im Strömungskanal innerhalb des Diffusors ein Zentralkörper angeordnet ist.One aspect of the invention relates to a diffuser having a nozzle inlet, a nozzle exit and a flow channel extending from the nozzle inlet to the nozzle exit in a main flow direction, the flow channel being bounded at its cross sectional ends by diffuser walls and having a smaller cross sectional area at the nozzle entrance than at the nozzle exit a central body is arranged in the flow channel within the diffuser.

Ein Diffusor ist eine Spezialform einer Düse, bei der sich der Querschnitt des Strömungskanals nicht wie bei einer klassischen Düse verjüngt, sondern erweitert. Oftmals wird der Diffusor auch als Gegenstück zur Düse bezeichnet. Während sich bei einer klassischen Düse der Querschnitt des Strömungskanals in Hauptströmungsrichtung verjüngt, was bei einem die Düse durchströmenden Fluid eine Geschwindigkeitserhöhung und einen Druckabfall bewirkt, bewirkt ein Diffusor das Gegenteil: Ein einen Diffusor durchströmendes Fluid wird beim Durchströmen des Diffusors abgebremst, wobei sich dessen Druck erhöht. Um einen Diffusor von einer klassischen Düse unterscheiden zu können, können die Querschnittsflächen des Strömungskanals am Düseneingang und am Düsenausgang miteinander verglichen werden. Ist die Querschnittsfläche am Düsenausgang größer als die Querschnittsfläche am Düseneingang, so kann es sich bei der Düse um einen Diffusor handeln, ist das Flächenverhältnis umgekehrt, so handelt es sich um eine klassische Düse.A diffuser is a special type of nozzle in which the cross-section of the flow channel does not taper, but widen as in a classic nozzle. Often, the diffuser is also referred to as a counterpart to the nozzle. While in a conventional nozzle, the cross-section of the flow channel tapers in the main flow direction, which causes an increase in velocity and a pressure drop at a fluid flowing through the nozzle, a diffuser causes the opposite: a fluid flowing through a diffuser is decelerated as it flows through the diffuser, wherein its pressure elevated. In order to be able to distinguish a diffuser from a conventional nozzle, the cross-sectional areas of the flow channel at the nozzle inlet and at the nozzle outlet can be compared with one another. If the cross-sectional area at the nozzle outlet is greater than the cross-sectional area at the nozzle inlet, then the nozzle may be a diffuser; conversely, the area ratio is a classic nozzle.

Der Strömungskanal des Diffusors ist im Inneren des Diffusors angeordnet und im Wesentlichen als ein Freiraum ausgebildet. Der Strömungskanal wird von Diffusorwänden begrenzt, welche die Form des Strömungskanals bestimmen. Die Diffusorwände sind als Bestandteil des Diffusors ausgebildet. Der Diffusor ist dazu ausgebildet und vorgesehen, von einem Fluid in einer vorbestimmten Richtung durchströmt zu werden. Die vorbestimmte Richtung erstreckt sich vom Düseneingang zum Düsenausgang und wird als Hauptströmungsrichtung bezeichnet. In Hauptströmungsrichtung vergrößert sich dabei der Querschnitt des Strömungskanals, der von den Diffusorwänden begrenzt ist. Diese Vergrößerung oder Erweiterung des Strömungskanals kann zum Beispiel stetig erfolgen, gestuft, logarithmisch, exponentiell, entlang einer Polynomfunktion oder entlang einer Kombination der vorgenannten Formveränderungsfunktionen.The flow channel of the diffuser is arranged in the interior of the diffuser and designed essentially as a free space. The flow channel is bounded by diffuser walls which determine the shape of the flow channel. The diffuser walls are formed as part of the diffuser. The diffuser is designed and provided to be flowed through by a fluid in a predetermined direction. The predetermined direction extends from the nozzle entrance to the nozzle exit and is referred to as the main flow direction. In the main flow direction thereby increases the cross-section of the flow channel, which is bounded by the diffuser walls. This enlargement or expansion of the flow channel may be, for example, continuous, stepped, logarithmic, exponential, along a polynomial function or along a combination of the aforementioned shape changing functions.

Ein klassischer Diffusor führt zur Verringerung der Geschwindigkeit eines den Diffusor durchströmenden Fluids und zur Druckerhöhung. Ein Abbremsen des Fluids ist für eine Weitwurfdüse nicht immer erwünscht da dies zu sehr ungleichmäßiger Geschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt führen kann. Deswegen ist im Inneren des Strömungskanals, also im Inneren des Diffusors, ein Zentralkörper angeordnet, der als Strömungskörper ausgebildet ist. Der Zentralkörper ist so im Diffusor angeordnet, dass er von einem den Diffusor in Hauptströmungsrichtung durchströmenden Fluid umströmt wird. Durch Einbringen des Zentralkörpers in den Strömungskanal wird das Strömungsverhalten, insbesondere die Geschwindigkeit und der Druck des den Diffusor durchströmenden Fluids, beeinflusst. Dabei kann durch die Form des Zentralkörpers die Geschwindigkeit und der Druck des den Strömungskanal durchströmenden Fluids sowohl im Nahfeld als auch im Fernfeld beeinflusst und/oder bestimmt werden. Der Zentralkörper kann zum Beispiel eine Reduktion der freien Querschnittsfläche des Strömungskanals am Düsenausgang bewirken. Dies bedeutet, dass zwar die gesamte Querschnittsfläche am Düsenausgang größer ist als die Querschnittsfläche am Düseneingang, der frei durchströmbare Flächenanteil kann jedoch gleich groß oder kleiner ausgebildet sein. Dabei ist der frei durchströmbare Flächenanteil der Querschnittsbereich des Strömungskanals, der von einem den Diffusor durchströmenden Fluid durchströmt werden kann. Der Raumbereich im Strömungskanal, der vom Zentralkörper eingenommen wird, kann hingegen nicht von einem Fluid durchströmt werden.A classic diffuser reduces the speed of a fluid passing through the diffuser and increases the pressure. A slowing down of the fluid is not always desirable for a jet nozzle since this can lead to a very uneven velocity distribution over the cross section. Therefore, a central body is arranged in the interior of the flow channel, ie in the interior of the diffuser, which is designed as a flow body. The central body is in the diffuser arranged to be flowed around by a fluid flowing through the diffuser in the main flow direction. By introducing the central body into the flow channel, the flow behavior, in particular the speed and the pressure of the fluid flowing through the diffuser, is influenced. In this case, the speed and the pressure of the fluid flowing through the flow channel can be influenced and / or determined both in the near field and in the far field by the shape of the central body. For example, the central body may cause a reduction in the free cross-sectional area of the flow channel at the nozzle exit. This means that, although the entire cross-sectional area at the nozzle outlet is greater than the cross-sectional area at the nozzle inlet, the freely permeable surface portion may be of the same size or smaller. In this case, the freely flow-through surface portion of the cross-sectional area of the flow channel, which can be traversed by a fluid flowing through the diffuser. The space in the flow channel, which is occupied by the central body, however, can not be traversed by a fluid.

Der Zentralkörper ist zumindest teilweise im Inneren des Strömungskanals angeordnet. Ein Teil des Zentralkörpers kann aus dem Strömungskanal herausragen. Dabei ist der Zentralkörper bevorzugt so angeordnet, dass er in einem Raumbereich nahe des oder am Düsenausgang angeordnet ist. Der Raumbereich des Strömungskanals, der benachbart zum Düseneingang ausgebildet ist, ist bevorzugt frei von einem Zentralkörper ausgebildet. Der Zentralkörper kann beabstandet von den Diffusorwänden im Diffusor angeordnet sein.The central body is at least partially disposed in the interior of the flow channel. A part of the central body may protrude from the flow channel. In this case, the central body is preferably arranged such that it is arranged in a space region near or at the nozzle exit. The space region of the flow channel, which is formed adjacent to the nozzle inlet, is preferably formed free of a central body. The central body may be spaced from the diffuser walls in the diffuser.

Ein solcher Diffusor mit einem im Strömungskanal angeordneten Zentralkörper kann zum Erzielen besonders großer Eindringtiefen verwendet werden und ermöglicht eine homogene Geschwindigkeitsverteilung im Fernfeld des aus dem Diffusor ausgestoßenen Fluids. Der Diffusor reduziert den Druckverlust des Fluids im Vergleich zu einem Diffusor ohne Zentralkörper und dient zum Erreichen großer Eindringtiefen. Bei bestehenden Trocknungssystemen kann der Diffusor zur Reduktion einer benötigten Pumpleistung bei gleichbleibender Eindringtiefe führen. Das Fernfeld ist der Strahlbereich nach dem Düsenausgang, in dem die atmosphärische Turbulenz die Strahlausbreitung dominiert. Im Fernfeld ist insbesondere kein Kernstrahl mehr im Strahlfeld detektierbar. Üblicherweise beginnt das Fernfeld etwa in einem Abstand nach dem Düsenausgang, der sechs- bis achtmal dem Durchmesser des Querschnitts des Düsenausgangs beträgt.Such a diffuser with a central body arranged in the flow channel can be used to achieve particularly large penetration depths and enables a homogeneous velocity distribution in the far field of the fluid ejected from the diffuser. The diffuser reduces the pressure loss of the fluid compared to a diffuser without a central body and serves to achieve large penetration depths. In existing drying systems, the diffuser can lead to the reduction of a required pumping capacity at a constant penetration depth. The far field is the beam area after the nozzle exit where atmospheric turbulence dominates the beam spread. In the far field, in particular, no more core beam can be detected in the beam field. Usually, the far field starts at a distance after the nozzle exit, which is six to eight times the diameter of the cross section of the nozzle exit.

Die genaue Form bzw. Geometrie des Zentralkörpers kann mit Hilfe einer Computersimulation berechnet werden, um eine bestimmte Eindringtiefe oder eine gewünschte Temperaturverteilung im Strahl für ein bestimmtes Fluid zu erhalten.The exact shape or geometry of the central body can be calculated using a computer simulation to obtain a certain penetration or temperature distribution in the jet for a particular fluid.

Der Zentralkörper kann unterschiedlich geformt ausgebildet sein. So kann der Zentralkörper zum Beispiel als Ellipsoid, als Pyramide, oder als quaderförmiger Körper ausgebildet sein. Der Zentralkörper ist als Strömungshindernis ausgebildet und weist ein Volumen und eine Form auf, die das Strömungsverhalten eines den Diffusor durchströmenden Fluids deutlich messbar beeinflusst.The central body may be formed differently shaped. Thus, the central body may be formed, for example, as an ellipsoid, as a pyramid, or as a cuboid body. The central body is designed as a flow obstacle and has a volume and a shape that significantly influences the flow behavior of a fluid flowing through the diffuser.

Im Gegensatz zu den einleitend genannten und bislang bekannten Düsen betrifft die vorliegende Erfindung einen Diffusor, der eine besonders günstige Wärmeübertragung am Zielgut erzielt.In contrast to the initially mentioned and previously known nozzles, the present invention relates to a diffuser that achieves a particularly favorable heat transfer to the target.

Der Diffusor kann dazu an seinem Diffusorausgang innenkantenfrei ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass der Diffusor an seinem Diffusorausgang im Längsschnitt zumindest gerade oder nach Außen geneigte Kanten aufweist. Die Ausgangskanten können insbesondere abgerundet ausgebildet sein. Dadurch wird eine gewünschte und/oder vorgegebene Strömungsverteilung erzielt.The diffuser can be designed to be free of inner edges at its diffuser exit. This means that the diffuser at its diffuser outlet in longitudinal section has at least straight or outwardly inclined edges. The output edges may be formed in particular rounded. As a result, a desired and / or predetermined flow distribution is achieved.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Zentralkörper in der Mitte eines Querschnitts durch den Strömungskanal angeordnet. Durch die Anordnung des Zentralkörpers in der Mitte des Strömungskanals kann der Zentralkörper an allen seinen Seiten von einem den Diffusor durchströmenden Fluid umströmt werden. Dadurch kann der Zentralkörper das Fluid bzw. die Geschwindigkeit und den Druck des Fluids mit allen seinen Körperflächen und -seiten beeinflussen.According to one embodiment, the central body is arranged in the middle of a cross section through the flow channel. Due to the arrangement of the central body in the middle of the flow channel, the central body can be flowed around on all its sides by a fluid flowing through the diffuser. As a result, the central body can influence the fluid or the speed and the pressure of the fluid with all its body surfaces and sides.

Dabei kann der Zentralkörper von einer Halterung so im Strömungskanal gehalten werden, dass er an einem vorbestimmten Ort im Inneren des Strömungskanals angeordnet ist. Bei der Berechnung des Strömungsverhaltens und der Geometrie des Zentralkörpers sowie der Diffusorwände kann die Form der Halterung mit in die Berechnung aufgenommen werden, um ein möglichst gutes Strömungsverhalten zu erzielen.In this case, the central body can be held by a holder in the flow channel, that it is arranged at a predetermined location in the interior of the flow channel. In the calculation of the flow behavior and the geometry of the central body and the diffuser walls, the shape of the holder can be included in the calculation in order to achieve the best possible flow behavior.

Der Zentralkörper muss dabei nicht entlang der gesamten Mittelachse des Strömungskanals angeordnet sein, sondern kann zum Beispiel lediglich in der zweiten Hälfte des Strömungskanals, also der dem Düsenausgang zugewandten Hälfte des Strömungskanals, mittig in diesem angeordnet sein.The central body does not have to be arranged along the entire central axis of the flow channel, but can for example only in the second half of the flow channel, ie the nozzle outlet facing half of the flow channel, be arranged centrally in this.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Zentralkörper so geformt und so im Strömungskanal angeordnet, dass der Zentralkörper an den Diffusorwänden eine Strömungsablösung eines den Diffusor durchströmenden Fluids reduziert. Ein Fluid, das einen sich aufweitenden Strömungskanal bzw. einen Diffusor durchströmt, kann verschiedene Strömungsverhalten erfahren. Ist ein Öffnungswinkel bzw. eine Erweiterung des Strömungskanals in Strömungsrichtung hinreichend klein, so spricht man von einem anliegenden Strömungsverhalten bzw. von einem fluktuierenden, teilabgelösten Strömungsverhalten. Weist der Diffusor einen stärker geöffneten Strömungskanal auf, also einen sich weiter verbreiternden Strömungskanal, kann die Strömung im Strömungskanal ihren pulsierenden Charakter verlieren, wobei man von einem abgelösten Strömungsverhalten spricht. Bei einer abgelösten Strömung entstehen im Strömungskanal und in dessen Nachlauf Strömungswirbel des Fluids. Solche Strömungswirbel können sich störend auf das gewünschte Strömungsverhalten des den Diffusor durchströmenden Fluids auswirken. Der Zentralkörper ist so geformt und so im Strömungskanal angeordnet, dass er eine Strömungsablösung reduziert und/oder ganz verhindert. Dadurch wird das Strömungsverhalten des Fluids verbessert. Damit kann der Zentralkörper das Strömungsverhalten des Fluids nicht nur im Inneren des Diffusors beeinflussen, sondern auch im Fernfeld des Fluids, also einem Raumbereich, in den das bereits aus dem Diffusor ausgetretene Fluid eindringt.According to one embodiment, the central body is shaped and arranged in the flow channel such that the central body on the diffuser walls reduces flow separation of a fluid flowing through the diffuser. A fluid having a widening flow channel or a Diffuser flows through, can experience different flow behavior. If an opening angle or an extension of the flow channel in the flow direction is sufficiently small, this is called an applied flow behavior or a fluctuating, partially detached flow behavior. If the diffuser has a more open flow channel, that is to say a further widening flow channel, the flow in the flow channel can lose its pulsating character, wherein one speaks of a detached flow behavior. In a detached flow arise in the flow channel and in the wake flow vortex of the fluid. Such flow vortices can interfere with the desired flow behavior of the fluid flowing through the diffuser. The central body is shaped and arranged in the flow channel, that it reduces flow separation and / or completely prevented. As a result, the flow behavior of the fluid is improved. Thus, the central body can influence the flow behavior of the fluid not only in the interior of the diffuser, but also in the far field of the fluid, ie a space region into which the already exited from the diffuser fluid penetrates.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Zentralkörper bezüglich einer Mittelachse des Strömungskanals rotationssymmetrisch ausgebildet. Dabei kann nicht nur der Zentralkörper selbst rotationssymmetrisch ausgebildet sein, sondern auch der Diffusor, insbesondere die Diffusorwände, die den Strömungskanal definieren. Eine rotationssymmetrische Ausbildung des Zentralkörpers und/oder des Diffusors und/oder des Strömungskanals kann zu einer besonders homogenen Geschwindigkeits- und Druckverteilung im Fernfeld des Fluids führen.According to one embodiment, the central body is rotationally symmetrical with respect to a central axis of the flow channel. Not only can the central body itself be rotationally symmetrical, but also the diffuser, in particular the diffuser walls, which define the flow channel. A rotationally symmetrical design of the central body and / or the diffuser and / or the flow channel can lead to a particularly homogeneous velocity and pressure distribution in the far field of the fluid.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Düsenausgang eine mindestens zehn Prozent größere Querschnittsfläche auf als der Düseneingang. Dabei verbreitert sich der Querschnitt des Strömungskanals in Hauptströmungsrichtung bevorzugt stetig. Mit einer zehn Prozent größeren Fläche ist dabei die Gesamtfläche des jeweiligen Querschnitts gemeint. Insbesondere kann der Querschnitt am Düsenausgang einen Teilbereich des Zentralkörpers aufweisen, der die freie Querschnittsfläche reduziert. Die Querschnittsfläche des Düsenausgangs kann auch zumindest 50% oder 100% größer als die Querschnittsfläche des Düseneingangs ausgebildet sein.According to one embodiment, the nozzle exit has at least ten percent greater cross-sectional area than the nozzle entrance. In this case, the cross section of the flow channel widens in the main flow direction preferably steadily. With a ten percent larger area is meant the total area of the respective cross-section. In particular, the cross-section at the nozzle exit may have a partial region of the central body which reduces the free cross-sectional area. The cross-sectional area of the nozzle exit may also be at least 50% or 100% larger than the cross-sectional area of the nozzle entrance.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Strömungskanal des Diffusors sich in Hauptströmungsrichtung so stark aufweitend ausgebildet, dass der Strömungskanal ohne den Zentralkörper eine Strömungsablösung eines den Diffusor durchströmenden Fluids verursacht bzw. verursachen würde. Der Strömungskanal des Diffusors ist dabei so ausgebildet, dass er sich so stark aufweitet, dass er ohne den Zentralkörper eine Strömungsablösung verursachen würde. Damit wäre der Diffusor ohne den Zentralkörper als Weitwurfdüse ungeeignet und würde zu einer Verschlechterung der Strömungsqualität des Fluids führen. Der Zentralkörper ist so im Diffusor ausgebildet, dass er eben diese Strömungsablösung verhindert oder zumindest reduziert.According to one exemplary embodiment, the flow channel of the diffuser is formed so widening in the main flow direction that the flow channel without the central body would cause a flow separation of a fluid flowing through the diffuser. The flow channel of the diffuser is designed so that it expands so much that it would cause a flow separation without the central body. Thus, the diffuser without the central body would be unsuitable as a jet nozzle and would lead to a deterioration of the flow quality of the fluid. The central body is formed in the diffuser so as to prevent or at least reduce this flow separation.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Zentralkörper austauschbar im Strömungskanal des Diffusors angebracht. Der Diffusor kann eine Mehrzahl von Zentralkörpern aufweisen, die je nach geplanter Anwendung des Diffusors im Strömungskanal angebracht werden können. Solch variable Zentralkörper können zu sehr unterschiedlichem Strömungsverhalten eines den Diffusor durchströmenden Fluids führen. Damit kann durch einen einfachen Austausch des Zentralkörpers der gleiche Diffusor für unterschiedliche Anwendungsbereiche verwendet werden. Eine Halterung kann zur Aufnahme unterschiedlicher Zentralkörper im Strömungskanal so ausgebildet sein, dass die Zentralkörper lösbar an der Halterung befestigbar sind.According to one embodiment, the central body is replaceably mounted in the flow channel of the diffuser. The diffuser may have a plurality of central bodies which may be mounted in the flow channel depending on the intended use of the diffuser. Such variable central bodies can lead to very different flow behavior of a fluid flowing through the diffuser. Thus, the same diffuser can be used for different applications by a simple replacement of the central body. A holder can be designed to receive different central body in the flow channel so that the central body are detachably fastened to the holder.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Diffusor dazu ausgebildet und vorgesehen, von einem vorbestimmten Fluid unter einem vorbestimmten Druck und einer vorbestimmten Geschwindigkeit in Hauptströmungsrichtung durchströmt zu werden. Die genaue Form der Diffusorwände und/oder des Zentralkörpers kann auf ein bestimmtes Fluid abgestimmt sein. Als Fluid kann zum Beispiel Umgebungsluft zum Trocknen von Gütern verwendet werden. Alternativ kann ein spezielles Gasgemisch zum Trocknen vorgesehen sein, das unter dem vorbestimmten Druck in den Düseneingang des Diffusors einführbar ist. Die genaue Form und Geometrie des Diffusors inklusive des Zentralkörpers ist auf dieses vorbestimmte Fluid abgestimmt. Dabei kann auch der Druck und/oder die Geschwindigkeit des Fluids vorbestimmt sein, mit dem das Fluid in den Düseneingang eingebracht wird. Der Diffusor kann auch zur Verwendung eines vorbestimmten Fluids mit unterschiedlichen Drücken und/oder zur Verwendung mit unterschiedlichen Fluiden vorgesehen sein.According to one embodiment, the diffuser is designed and provided to be flowed through by a predetermined fluid under a predetermined pressure and a predetermined speed in the main flow direction. The exact shape of the diffuser walls and / or the central body may be tuned to a particular fluid. As the fluid, for example, ambient air may be used for drying goods. Alternatively, a special gas mixture may be provided for drying, which can be inserted under the predetermined pressure in the nozzle inlet of the diffuser. The exact shape and geometry of the diffuser including the central body is tuned to this predetermined fluid. In this case, the pressure and / or the speed of the fluid can be predetermined with which the fluid is introduced into the nozzle inlet. The diffuser may also be provided for use with a predetermined fluid having different pressures and / or for use with different fluids.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Diffusor als Weitwurfdüse ausgebildet. Eine Weitwurfdüse ist dabei eine Düse, die für möglichst große Eindringtiefen vorgesehen ist. Die Eindringtiefe einer Düse bestimmt die Distanz bzw. den Abstand vom Düsenausgang, an dem das die Düse durchströmende Fluid nach Durchströmen der Düse ein gewünschtes Strömungsverhalten aufweist. Mit der Eindringtiefe kann zum Beispiel ein vorbestimmter Abstand gemeint sein, um den ein zu trocknendes Gut vom Düsenausgang der Weitwurfdüse beabstandet ist. Bei Trockendüsen für Lackierungen kann die Eindringtiefe z. B. zwischen 2 und 3 m betragen.According to one embodiment, the diffuser is designed as a long-throw nozzle. A jet nozzle is a nozzle, which is intended for the greatest possible penetration depths. The penetration depth of a nozzle determines the distance or the distance from the nozzle outlet at which the fluid flowing through the nozzle has a desired flow behavior after flowing through the nozzle. For example, the penetration depth may mean a predetermined distance by which a material to be dried is spaced from the nozzle exit of the long throw nozzle. For dry nozzles for coatings, the penetration depth z. B. be between 2 and 3 m.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Diffusorwände im Längsschnitt zumindest stellenweise um einen Aufweitwinkel von jeweils zumindest 10° gegenüber der Mittelachse des Strömungskanals geneigt. Üblicherweise wird bei einem Öffnungswinkel von jeweils zumindest 7–10° bei einem Diffusor davon ausgegangen, dass sich eine Strömungsablösung einstellt. Die Diffusorwände des Diffusors sind hierbei so ausgebildet, dass sich ohne den Zentralkörper eine Strömungsablösung ergeben würde, da der Öffnungswinkel zumindest 10° beträgt. Dabei muss der Öffnungswinkel des Strömungskanals gegenüber seiner Mittelachse nicht entlang des ganzen Strömungskanals zumindest 10° betragen, sondern kann auch nur stellenweise so steil ausgebildet sein. Der Öffnungswinkel des Strömungskanals beträgt dabei zumindest stellenweise von 10° bis 30°, bevorzugt von 15° bis 25°. According to one embodiment, the diffuser walls are inclined in longitudinal section at least in places by an expansion angle of at least 10 ° with respect to the central axis of the flow channel. Usually, with an opening angle of at least 7-10 ° in the case of a diffuser, it is assumed that a flow separation occurs. The diffuser walls of the diffuser are in this case designed so that a flow separation would result without the central body, since the opening angle is at least 10 °. In this case, the opening angle of the flow channel with respect to its central axis does not have to be at least 10 ° along the entire flow channel, but may also be only so steep at places. The opening angle of the flow channel is at least in places from 10 ° to 30 °, preferably from 15 ° to 25 °.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Zentralkörper so geformt, dass er im Fernfeld eines aus dem Diffusor austretenden Fluids eine im Wesentlichen homogene Strömungsgeschwindigkeitsverteilung senkrecht zum Richtungsvektor der Hauptströmungsrichtung bewirkt. Als Nahfeld wird der Raumbereich bezeichnet, in den das aus dem Diffusor ausströmende Fluid direkt nach Verlassen des Diffusors einströmt, also ein Raumgebiet, das benachbart zum Diffusorausgang angeordnet ist. Im Nahfeld kann bedingt durch den Zentralkörper eine inhomogene Geschwindigkeitsverteilung des Fluids vorliegen. Im Nahfeld kann der Zentralkörper eine ”Verschlechterung” der Strömungseigenschaften des Fluids verursachen. Der Zentralkörper kann so geformt und berechnet sein, dass er im Fernfeld, insbesondere bei einer vorbestimmten Eindringtiefe bzw. Zieltiefe des Fluids, eine homogene Geschwindigkeitsverteilung bzw. eine definierte Temperaturverteilung bewirkt.According to one embodiment, the central body is shaped to effect a substantially homogeneous flow velocity distribution perpendicular to the directional vector of the main flow direction in the far field of a fluid exiting the diffuser. The near field is the area of the space into which the fluid flowing out of the diffuser flows directly after leaving the diffuser, that is to say a space region which is arranged adjacent to the diffuser exit. In the near field, an inhomogeneous velocity distribution of the fluid may be present due to the central body. In the near field, the central body can cause a "deterioration" in the flow characteristics of the fluid. The central body can be shaped and calculated so that it causes a homogeneous velocity distribution or a defined temperature distribution in the far field, in particular at a predetermined penetration depth or target depth of the fluid.

Der Diffusor kann zur Verwendung beim Trocknen eines Guts in einem vorbestimmten Abstand vom Düsenausgang vorgesehen sein. Dieser vorbestimmte Abstand entspricht der Eindringtiefe bzw. der Zieltiefe des Diffusors. Der Zentralkörper ist so geformt und/oder berechnet, dass er eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung oder eine definierte Temperaturverteilung an dieser Zieltiefe – gemessen vom Düsenausgang aus – bewirkt. Dies führt zu einem gleichmäßigen Trocknen eines Guts wie z. B. einer Karosserielackierung, eines flüssigen Glases, etc.The diffuser may be for use in drying a product at a predetermined distance from the nozzle exit. This predetermined distance corresponds to the penetration depth or the target depth of the diffuser. The central body is shaped and / or calculated so that it causes a uniform velocity distribution or a defined temperature distribution at this target depth - measured from the nozzle exit. This leads to a uniform drying of a good such. As a body paint, a liquid glass, etc.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind im Strömungskanal innerhalb des Diffusors mehrere Zentralkörper angeordnet. Dabei sind die Zentralkörper so geformt, dass ein Fluid, nachdem es aus dem Diffusor ausgeströmt ist, eine optimale Strömungsverteilung aufweist.According to one embodiment, a plurality of central bodies are arranged in the flow channel within the diffuser. In this case, the central bodies are shaped so that a fluid, after it has flowed out of the diffuser, has an optimal flow distribution.

Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zur Berechnung der Geometrie eines Diffusors mit den Schritten:

  • – Auswählen eines vorbestimmten Fluids zum Durchströmen des Diffusors entlang eines Strömungskanals des Diffusors,
  • – Auswählen einer vorbestimmten Eindringtiefe für das vorbestimmte Fluid nachdem das Fluid den Strömungskanal durchströmt hat,
  • – Berechnen einer optimierten Form für Düsenwände, die den Strömungskanal des Diffusors an seinen Querschnittsenden begrenzen und
  • – Berechnen einer optimierten Form für einen im Strömungskanal des Diffusors angeordneten Zentralkörper.
Another aspect relates to a method for calculating the geometry of a diffuser with the steps:
  • Selecting a predetermined fluid to flow through the diffuser along a flow channel of the diffuser,
  • Selecting a predetermined penetration depth for the predetermined fluid after the fluid has passed through the flow channel,
  • - Calculate an optimized shape for nozzle walls that limit the flow channel of the diffuser at its cross-sectional ends and
  • Calculating an optimized shape for a central body arranged in the flow channel of the diffuser.

In die Berechnung kann weiterhin die Form einer Halterung für den Zentralkörper im Inneren des Strömungskanals eingerechnet werden. Weiterhin kann dieses Verfahren verwendet werden, um bei gleichgeformten Diffusorwänden mit einer unterschiedlich geformten Geometrie des Zentralkörpers bestimmte unterschiedliche Eindringtiefen zu erzielen. Bei diesem Verfahren wird somit lediglich eine neue Geometrie des Zentralkörpers berechnet, wobei die Geometrie der Diffusorwände als Randbedingung in die Berechnung eingeht.In the calculation, the shape of a holder for the central body in the interior of the flow channel can be further included. Furthermore, this method can be used to achieve certain different penetration depths for uniformly shaped diffuser walls with a differently shaped geometry of the central body. In this method, therefore, only a new geometry of the central body is calculated, wherein the geometry of the diffuser walls enters as a boundary condition in the calculation.

Zur genauen Berechnung der Diffusorgeometrie kann entweder eine Computersimulation verwendet werden oder Testversuche aus einem Wind- bzw. Strömungskanal. Weiterhin können die experimentellen Ergebnisse auch mit einer Computersimulation geprüft und/oder verbunden werden.For the exact calculation of the diffuser geometry, either a computer simulation or test experiments from a wind or flow channel can be used. Furthermore, the experimental results can also be checked and / or connected with a computer simulation.

Bei der Berechnung der Zentralkörpergeometrie z. B. ein genetischer Algorithmus verwendet werden, der schnell konvergiert. Die Geometrie kann dahingehend optimiert werden, dass an einem vorgegebenen Abstand von dem Diffusorausgang eine vorbestimmte, insbesondere homogene Wärmeübertragung erfolgt. Weiterhin kann die Geometrie des Zentralkörpers auch dahingehend optimiert werden, dass der Druck des in den Diffusor einströmenden Mediums minimal gehalten wird, also der Leistungsaufwand minimal gehalten wird.When calculating the central body geometry z. For example, a genetic algorithm that converges quickly can be used. The geometry can be optimized so that at a predetermined distance from the diffuser exit a predetermined, in particular homogeneous heat transfer takes place. Furthermore, the geometry of the central body can also be optimized to the effect that the pressure of the medium flowing into the diffuser is kept to a minimum, so the power requirement is minimized.

Als Randbedingung können der Einspeisedruck des Fluids und/oder die Geometrie der Diffusorwände in die Berechnung eingehen. Für das Verfahren können die Stoffwerte des Fluids, die Geometrie des Diffusors (und somit die Geometrie der Düsenwände) und/oder ein fester Abstand vom Düsenausgang vorgegeben werden. Für diesen vorgegebenen, festen Abstand vom Düsenausgang können verscheide Eigenschaften des Fluidstrahls optimiert werden. Der feste Abstand kann z. B. die vorgegebene Eindringtiefe sein.As a boundary condition, the feed pressure of the fluid and / or the geometry of the diffuser walls can be included in the calculation. For the method, the physical properties of the fluid, the geometry of the diffuser (and thus the geometry of the nozzle walls) and / or a fixed distance from the nozzle outlet can be specified. For this predetermined, fixed distance from the nozzle outlet, the separating properties of the fluid jet can be optimized. The fixed distance can z. B. be the predetermined penetration depth.

Für das Verfahren können ein oder mehrere der folgenden Zielkriterien vorgesehen sein:

  • 1. Ein vorgegebener Druckbedarf für ein Gebläse, das das Fluid in den Düseneingang einspeist, z. B. ein minimaler Druckbedarf als Zielvorgabe.
  • 2. Ein maximaler Wärmeübergang an einem Gut, d. h. ein möglichst hoher Wärmeanteil des Fluids wird an das Gut abgegeben, z. B. zur Kühlung oder Erwärmung des Guts.
  • 3. Die Wärmeübergangsverteilung des Fluids kann auf ihre Homogenität hin optimiert werden.
  • 4. Der Fluidstrahl kann nach Austritt aus dem Düsenausgang dahingehend optimiert werden, dass der Fluidstrahl sich möglichst geradlinig fortsetzt.
  • 5. Der Fluidstrahl kann nach Austritt aus dem Düsenausgang dahingehend optimiert werden, dass der Fluidstrahl eine vorgegebene, begrenzte Auftrefffläche auf ein Gut aufweist.
  • 6. Eine Austrittsgeschwindigkeit des Fluids aus dem Düsenausgang kann als Zielkriterium vorgegeben werden, z. B. eine minimale oder maximale Austrittsgeschwindigkeit.
One or more of the following target criteria may be provided for the method:
  • 1. A predetermined pressure requirement for a fan that feeds the fluid into the nozzle inlet, z. B. a minimum pressure requirement as a target.
  • 2. A maximum heat transfer to a good, ie the highest possible heat content of the fluid is delivered to the estate, eg. B. for cooling or heating of the estate.
  • 3. The heat transfer distribution of the fluid can be optimized for its homogeneity.
  • 4. The fluid jet can be optimized after exiting the nozzle exit to the effect that the fluid jet continues as straight as possible.
  • 5. The fluid jet can be optimized after exiting the nozzle exit to the effect that the fluid jet has a predetermined, limited impact surface on a good.
  • 6. An exit velocity of the fluid from the nozzle outlet can be specified as a target criterion, z. B. a minimum or maximum exit velocity.

Von diesen Kriterien können ein oder mehrere als Zielkriterien ausgewählt werden, nach deren Erreichen das Verfahren beendet wird. Bei der Durchführung des Verfahrens wird die Geometrie des Zentralkörpers (und ggf. der Diffusorwände) so lange variiert, bis die Zielkriterien unter Berücksichtigung der vorgegebenen Randbedingungen erreicht werden. Als Ergebnis liefert dieses Verfahren eine bestimmte Form eines Diffusors mit einer bestimmten Geometrie eines Zentralkörpers, bei deren Verwendung die Zielkriterien erfüllt werden.One or more of these criteria may be selected as the target criteria, after which the procedure is terminated. In carrying out the method, the geometry of the central body (and possibly the diffuser walls) is varied until the target criteria are achieved taking into account the predetermined boundary conditions. As a result, this method provides a particular form of diffuser with a particular geometry of a central body that, when used, meets the target criteria.

Ein Aspekt betrifft ein Verwenden eines wie oben beschriebenen Diffusors zum Trocknen von zumindest einem Gut, wobei das Gut vom Düsenausgang des Diffusors in einer vorbestimmten Distanz beabstandet angeordnet sein kann. Ein solcher Diffusor kann auch zur Klimatisierung verwendet werden.One aspect relates to using a diffuser as described above for drying at least one product, wherein the material may be spaced from the nozzle exit of the diffuser at a predetermined distance. Such a diffuser can also be used for air conditioning.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Einzelne in den Figuren gezeigte Merkmale können mit Merkmalen aus anderen Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Es zeigen:The invention will be described in more detail with reference to exemplary embodiments shown in FIGS. Individual features shown in the figures may be combined with features of other embodiments. Show it:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines Diffusors ohne Zentralkörper, 1 a schematic sectional view of a diffuser without a central body,

2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Diffusor mit einem Zentralkörper, 2 a schematic sectional view through a diffuser with a central body,

3 eine schematische Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung eines Fluids, das einen Diffusor ohne Zentralkörper durchströmt, 3 a schematic representation of the velocity distribution of a fluid flowing through a diffuser without central body,

4 eine schematische Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung eines Fluids, das den in 3 gezeigten Diffusor mit einem ersten Zentralkörper durchströmt und 4 a schematic representation of the velocity distribution of a fluid, the in 3 shown diffuser flows through a first central body and

5 eine schematische Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung eines Fluids, das den in 3 gezeigten Diffusor mit einem zweiten Zentralkörper durchströmt. 5 a schematic representation of the velocity distribution of a fluid, the in 3 flows through the diffuser shown with a second central body.

1 zeigt einen Diffusor 1 mit einem Düseneingang 2 und einem Düsenausgang 3, wobei der Düsenausgang 3 eine Querschnittsfläche A aufweist, die größer als eine Querschnittsfläche E des Düseneingangs 2 ausgebildet ist. Der Diffusor 1 weist Diffusorwände 6 auf, die einen Freiraum im Inneren des Diffusors 1 als Strömungskanal 4 begrenzen. Der Diffusor 1 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich einer Mittelachse M des Strömungskanals 4 ausgebildet. 1 shows a diffuser 1 with a nozzle entrance 2 and a nozzle exit 3 , where the nozzle exit 3 has a cross-sectional area A greater than a cross-sectional area E of the nozzle entrance 2 is trained. The diffuser 1 has diffuser walls 6 on, leaving a free space inside the diffuser 1 as a flow channel 4 limit. The diffuser 1 is substantially rotationally symmetrical with respect to a central axis M of the flow channel 4 educated.

Am Düseneingang 2 ist der Diffusor 1 dazu ausgebildet und vorgesehen, ein Fluid (nicht gezeigt) in einer Hauptströmungsrichtung H in den Strömungskanal 4 einzulassen. Dazu ist der Düseneingang 2 entlang seiner Querschnittsfläche E offen. Die Hauptströmungsrichtung H weist entlang der Mittelachse M des Strömungskanals 4 vom Düseneingang 2 zum Düsenausgang 3. Am Düsenausgang 3 des Diffusors 1 ist der Diffusor 1 dazu ausgebildet, dass das am Düseneingang 2 in den Strömungskanal eingeströmte Fluid aus dem Strömungskanal 4 ausströmt und dabei den Diffusor 1 verlässt.At the nozzle entrance 2 is the diffuser 1 adapted and provided, a fluid (not shown) in a main flow direction H in the flow channel 4 involved. This is the nozzle entrance 2 open along its cross-sectional area E. The main flow direction H points along the center axis M of the flow channel 4 from the nozzle entrance 2 to the nozzle exit 3 , At the nozzle exit 3 of the diffuser 1 is the diffuser 1 designed to be that at the nozzle entrance 2 fluid flowed into the flow channel from the flow channel 4 emanates while the diffuser 1 leaves.

In 2 ist ein Diffusor 20 gezeigt, der baugleich zu dem in 1 gezeigten Diffusor 1 aufgebaut ist. Der Diffusor 20 weist einen Düseneingang 22, einen Düsenausgang 23, einen Strömungskanal 24 und Düsenwände 26 auf, die wie im Diffusor 1 dimensioniert und ausgebildet sind. Eine Querschnittsfläche E des Düseneingangs 22 ist kleiner ausgebildet als eine Querschnittsfläche A des Düsenausgangs 23.In 2 is a diffuser 20 shown, the identical to that in 1 shown diffuser 1 is constructed. The diffuser 20 has a nozzle entrance 22 , a nozzle outlet 23 , a flow channel 24 and nozzle walls 26 on, like in the diffuser 1 dimensioned and formed. A cross-sectional area E of the nozzle entrance 22 is smaller than a cross-sectional area A of the nozzle exit 23 ,

Der Strömungskanal 24 weist eine geradlinig verlaufende Mittelachse M auf. In einer alternativen Ausführungsform kann die Mittelachse des Strömungskanals 24 auch gekrümmt ausgebildet sein.The flow channel 24 has a rectilinear central axis M. In an alternative embodiment, the central axis of the flow channel 24 also be curved.

Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Diffusor 1 weist der Diffusor 20 einen Zentralkörper 25 auf, der im Inneren des Strömungskanals 24 an den Diffusorwänden 26 befestigt ist. Der Zentralkörper 25 ist beabstandet von den Diffusorwänden 26 und mittig im Strömungskanals 24 angeordnet. Der Zentralkörper 25 ist bezüglich der Mittelachse M im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Zentralkörper 25 kann zum Beispiel als Ellipsoid, tropfenförmig oder ähnlich ausgebildet sein und bildet ein dreidimensionales Strömungshindernis für ein den Diffusor 20 entlang des Strömungskanals 24 durchströmendes Fluid. Der Zentralkörper 25 ist in der Hälfte des Strömungskanals angeordnet, die angrenzend an den Düsenausgang 23 ausgebildet ist. Die andere Hälfte des Strömungskanals, die angrenzend an den Düseneingang 22 ausgebildet ist, ist zentralkörperfrei ausgebildet. Der Zentralkörper 25 beeinflusst das Strömungsverhalten eines den Diffusor durchströmenden Fluids.Unlike the in 1 shown diffuser 1 points the diffuser 20 a central body 25 on that inside the flow channel 24 on the diffuser walls 26 is attached. The central body 25 is spaced from the diffuser walls 26 and in the middle of the flow channel 24 arranged. The central body 25 is formed with respect to the central axis M is substantially rotationally symmetrical. The central body 25 For example, it may be formed as an ellipsoid, drop-shaped, or the like, and forms a three-dimensional flow obstruction for the diffuser 20 along the flow channel 24 flowing fluid. The central body 25 is in half of the flow channel, which is adjacent to the nozzle exit 23 is trained. The other half of the flow channel, which is adjacent to the nozzle entrance 22 is formed, is formed Zentralkörperfrei. The central body 25 influences the flow behavior of a fluid flowing through the diffuser.

Der Einfluss des Zentralkörpers auf das Strömungsverhalten wird durch Vergleich der Geschwindigkeitsverteilung im Nahfeld N und im Fernfeld F des Diffusors 1 (siehe 1) mit dem Nahfeld N und im Fernfeld F von aus dem Diffusor 20 ausströmenden Fluid (siehe 2) deutlich. Der Querschnitt des Strömungskanals 4 des Diffusors 1 weitet sich in Hauptströmungsrichtung H soweit auf, dass innerhalb des Strömungskanals 4 benachbart zum Düsenausgang 3 Wirbelfelder und Rückströmungen bzw. Strömungsablösungen W1 an den Diffusorwänden 6 entstehen. Dabei entsteht an zumindest einer Seite des Diffusors ein stationäres Ablösungsgebiet, in dem die Strömung ihren pulsierenden Charakter verliert. Ein den Diffusor 1 durchströmendes Fluid weist dabei im Nahfeld N eine relativ homogene Geschwindigkeitsverteilung auf.The influence of the central body on the flow behavior is determined by comparing the velocity distribution in the near field N and in the far field F of the diffuser 1 (please refer 1 ) with the near field N and in the far field F out of the diffuser 20 outflowing fluid (see 2 ) clear. The cross section of the flow channel 4 of the diffuser 1 expands in the main flow direction H far enough that within the flow channel 4 adjacent to the nozzle exit 3 Vortex fields and backflows or flow separations W1 on the diffuser walls 6 arise. This results in at least one side of the diffuser, a stationary separation region in which the flow loses its pulsating character. A the diffuser 1 flowing fluid has in the near field N on a relatively homogeneous velocity distribution.

Die Geschwindigkeitsverteilungen des Fluids im jeweiligen Nah- und Fernfeld sind in den 1 und 2 anhand von Graphen gezeigt. Im Fernfeld F des Strahlungsfelds S ist die Geschwindigkeitsverteilung inhomogen. Benachbart zur Verlängerung der Mittelachse M ist die Geschwindigkeit der Fluidteilchen größer als die Geschwindigkeit von Fluidteilchen, die weiter von der Verlängerung der Mittelachse M entfernt sind und sich im Fernfeld von dem Diffusor 1 weg bewegen.The velocity distributions of the fluid in the respective near and far field are in the 1 and 2 shown by graphs. In the far field F of the radiation field S, the velocity distribution is inhomogeneous. Adjacent to the extension of the center axis M, the velocity of the fluid particles is greater than the velocity of fluid particles farther from the extension of the center axis M and far-field from the diffuser 1 move away.

Weiterhin kann ein Teil des Fluids im seitlichen Bereich verloren gehen, falls im Strömungsbild weitere Wirbel W2 auftreten, die außerhalb des Diffusors 1 entstehen können.Furthermore, a portion of the fluid can be lost in the lateral area, if in the flow pattern further vortex W2 occur outside the diffuser 1 can arise.

Im Vergleich dazu ergibt sich beim Diffusor 20 mit dem Zentralkörper 25 ein Strahlfeld S', das, wie in 2 gezeigt, ein anderes Strömungsverhalten aufweist.This compares to the diffuser 20 with the central body 25 a beam field S ', which, as in 2 shown, has a different flow behavior.

Wie in 2 gezeigt, verhindert der Zentralkörper 25 das Auftreten von Wirbeln sowohl im Inneren des Diffusors 20 als auch im Strahlfeld S' des aus dem Diffusor 20 ausgetretenen Fluids. Während die Geschwindigkeitsverteilung im Nahfeld N bedingt durch den Zentralkörper 25 ein Minimum nahe der Verlängerung der Mittelachse M aufweist, ist die Geschwindigkeitsverteilung im Fernfeld F des Strahlfelds S' über große Strecken senkrecht zur Verlängerung der Mittelachse M im Wesentlichen homogen.As in 2 shown, prevents the central body 25 the occurrence of vortices both inside the diffuser 20 as well as in the beam field S 'of the diffuser 20 leaked fluid. While the velocity distribution in the near field N is due to the central body 25 has a minimum near the extension of the central axis M, the velocity distribution in the far field F of the beam field S 'over substantially long distances perpendicular to the extension of the central axis M is substantially homogeneous.

Der in 2 gezeigte Diffusor 20 eignet sich zur Verwendung als Weitwurfdüse, zum Beispiel zum Trocknen von Bauteilen in großen Entfernungen. Dabei werden die Bauteile bevorzugt in Fernfeld F angeordnet. Die Entfernung des Nahfelds N und des Fernfelds F vom Düsenausgang richtet sich u. A. nach dem Druck des in den Diffusor eingelassenen Fluids. Durch einen mittels des Zentralkörpers 25 reduzierten Druckverlust können größere Eindringtiefen, d. h. größere Abstände des Fernfeldes von dem Diffusor 20 mit homogenen Geschwindigkeitsverteilungen erreicht werden. Alternativ kann auch bei gleichbleibender Eindringtiefe die benötigte Pumpleistung reduziert werden, indem ein Fluid mit einem reduzierten Druck in den Diffusor 20 eingelassen wird.The in 2 shown diffuser 20 suitable for use as a jet nozzle, for example, for drying of components at long distances. The components are preferably arranged in far field F. The distance of the near field N and the far field F from the nozzle exit depends u. A. after the pressure of the fluid introduced into the diffuser. By means of the central body 25 Reduced pressure drops can have greater penetration depths, ie greater far field distances from the diffuser 20 can be achieved with homogeneous velocity distributions. Alternatively, even with a constant penetration depth, the required pumping power can be reduced by introducing a fluid at a reduced pressure into the diffuser 20 is admitted.

Durch den Zentralkörper 25 wird eine Strömungsablösung in der Nähe der Diffusorwände 26 nicht nur reduziert, sondern verhindert. Gleichzeitig wird das Geschwindigkeitsprofil des Fluids am Düsenaustritt und in dessen Nachlauf beeinflusst und verbessert.Through the central body 25 becomes a flow separation near the diffuser walls 26 not only reduced, but prevented. At the same time the velocity profile of the fluid at the nozzle outlet and in the wake is influenced and improved.

Der Zentralkörper 25 kann austauschbar ausgebildet sein, das heißt der Diffusor 20 kann mit unterschiedlichen Zentralkörpern ausgestattet werden, die für unterschiedliche Eindringtiefen berechnet und geformt sind. Der Zentralkörper 25 kann dazu in einer in den Figuren nicht gezeigten Halterung im Inneren des Strömungskanals 24 befestigt sein.The central body 25 may be designed exchangeable, that is, the diffuser 20 can be equipped with different central bodies, which are calculated and shaped for different penetration depths. The central body 25 can do so in a holder, not shown in the figures inside the flow channel 24 be attached.

Dabei kann entweder jeweils ein einzelner Zentralkörper für eine bestimmte Anwendung vorgesehen sein, oder eine Mehrzahl Zentralkörper für eine einzige Anwendung.In this case, either a single central body may be provided for a particular application, or a plurality of central body for a single application.

Der Diffusor kann Querschnittsdurchmesser von 150 mm bis 300 mm aufweisen und z. B. zum Trocknen eines Gutes vorgesehen sein, das von 2 bis 3 Meter von dem Diffusor beabstandet ist. Der Diffusor kann somit für dimensionslose Abstände LID von etwa 6 bis 20 vorgesehen sein. Dabei bezeichnet L den vorgesehen Abstand des Gutes vom Diffusorausgang (z. B. die Eindringtiefe) und D den Durchmesser des Diffusors am Diffusorausgang.The diffuser may have a cross-sectional diameter of 150 mm to 300 mm and z. B. be provided for drying a good, which is spaced from 2 to 3 meters from the diffuser. The diffuser may thus be provided for dimensionless distances LID of about 6 to 20. L designates the intended distance of the material from the diffuser exit (eg the penetration depth) and D the diameter of the diffuser at the diffuser exit.

Der Zentralkörper 25 füllt dabei abschnittsweise zumindest 10%, bevorzugt zumindest 25% der Querschnittsfläche des Strömungskanals 24 aus. Die genaue Form und Dimensionierung des Zentralkörpers 25 kann abhängig von einem geplanten Anwendungsgebiet des Diffusors 20 ausgebildet sein.The central body 25 it fills in sections at least 10%, preferably at least 25% of the cross-sectional area of the flow channel 24 out. The exact shape and dimensioning of the central body 25 may depend on a planned application of the diffuser 20 be educated.

Die 3 zeigt in einer schematischen Darstellung die Geschwindigkeitsverteilung eines Fluids, das einen zentralkörperfreien Diffusor 30 durchströmt. Der Diffusor 30 entspricht einer Düse mit einer im Wesentlichen konstanten Querschnittserweiterung in Strömungsrichtung und ist in 3 im Längsschnitt dargestellt. Der Gesamtöffnungswinkel der Diffusorwände beträgt etwa 20°.The 3 shows a schematic representation of the velocity distribution of a fluid, the central body-free diffuser 30 flows through. The diffuser 30 corresponds to a nozzle with a substantially constant cross-sectional widening in the flow direction and is in 3 shown in longitudinal section. The total opening angle of the diffuser walls is about 20 °.

Das Fluid wird gleichverteilt in einen Düseneingang 32 eingebracht. Die Aufweitung des Diffusors in Strömungsrichtung ist problematisch, da sich bedingt durch den großen Öffnungswinkel die Strömung ablöst. Das Strahlfeld S des Fluids ist von der (in 3) unteren Diffusorwand abgelöst und strömt lediglich an der (in 3) oberen Diffusorwand durch den Diffusor 30 und aus dem Düsenausgang 33 heraus. Dabei ergibt sich die in 3 gezeigte, unsymmetrische Geschwindigkeitsverteilung stromabwärts des Düsenausgangs 33. The fluid is evenly distributed in a nozzle inlet 32 brought in. The expansion of the diffuser in the flow direction is problematic because due to the large opening angle, the flow separates. The beam field S of the fluid is different from the (in 3 ) detached lower diffuser wall and flows only at the (in 3 ) upper diffuser wall through the diffuser 30 and out of the nozzle exit 33 out. This results in the 3 shown unbalanced velocity distribution downstream of the nozzle exit 33 ,

Für eine Kühlung und/oder Erwärmung eines vom Diffusor 30 beabstandeten Guts ist der in 3 gezeigte Strahl des Fluids schlecht zu verwenden, da er nicht auf ein Ziel ausgerichtet werden kann. Auch für Klimatisierungsanwendungen sind solche Düsen nicht verwendbar, da sie sehr unangenehme Zugluft bewirken. Zudem sind mit der Ablösung große Strömungsverluste verbunden, die zum Ausgleich einen erhöhten Energieaufwand benötigen, z. B. für ein vorgeschaltetes Gebläse durch das das Fluid in den Düseneingang 32 eingebracht.For cooling and / or heating one of the diffuser 30 Guts spaced is the in 3 As shown, it is difficult to use the jet of fluid shown because it can not be aligned with a target. Also for air conditioning applications such nozzles are not usable because they cause very unpleasant drafts. In addition, with the replacement large flow losses associated with the need for compensation, an increased energy expenditure, eg. B. for an upstream fan through which the fluid in the nozzle inlet 32 brought in.

4 und 5 zeigen jeweils eine schematische Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung eines Fluids, das den in 3 gezeigten Diffusor durchströmt. Im Gegensatz zu dem in 3 gezeigten Diffusor 30 weist der in 4 bzw. 5 gezeigte Diffusor 30' bzw. 30'' einen Zentralkörper 35' bzw. 35'' auf. Der Zentralkörper 35' bzw. 35'' ist im Inneren des Diffusors 30' bzw. 30'' angeordnet und erstreckt sich parallel zu dessen Längsachse. Der Zentralkörper 35' bzw. 35'' ist dabei fast so lang ausgebildet wie der Diffusors 30' bzw. 30''. 4 and 5 each show a schematic representation of the velocity distribution of a fluid containing the in 3 flows through the shown diffuser. Unlike the in 3 shown diffuser 30 has the in 4 respectively. 5 shown diffuser 30 ' respectively. 30 '' a central body 35 ' respectively. 35 '' on. The central body 35 ' respectively. 35 '' is inside the diffuser 30 ' respectively. 30 '' arranged and extends parallel to its longitudinal axis. The central body 35 ' respectively. 35 '' is almost as long as the diffuser 30 ' respectively. 30 '' ,

Die Form der Düsenwände des Diffusors 30' und 30'' entspricht dabei der Form der Düsenwände des Diffusors 30 ohne Zentralkörper. Die Formen der Zentralkörper 30' und 30'' wurden mit Hilfe einer numerischen Optimierung errechnet, z. B. unter Verwendung eines genetischen Algorithmus. Der Zentralkörper 35' bzw. 35'' bewirkt ein Anliegen der Strömung des Fluids, das in den Düseneingang 32 einströmt, an den Diffusorwänden und dem Zentralkörper. Der resultierende Strahl des Fluids kann bei Verwendung der Diffusoren 30' bzw. 30'' zielgerichtet eingesetzt werden.The shape of the nozzle walls of the diffuser 30 ' and 30 '' corresponds to the shape of the nozzle walls of the diffuser 30 without central body. The forms of the central body 30 ' and 30 '' were calculated using a numerical optimization, z. Using a genetic algorithm. The central body 35 ' respectively. 35 '' causes a concern of the flow of fluid entering the nozzle inlet 32 flows in, on the diffuser walls and the central body. The resulting jet of fluid may be using the diffusers 30 ' respectively. 30 '' be used purposefully.

Der optimierte Zentralkörper weist in den beiden gezeigten Ausführungsbeispielen eine taillierte, langgezogene Tropfenform auf und ist bzgl. der Längsachse des Diffusors rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Zentralkörper 35' bzw. 35' ist dabei fast so lang ausgebildet wie der Diffusor 30' bzw. 30''. Beispielsweise kann der Zentralkörper 0,9 bis 1,1 mal so lang wie der Diffusor ausgebildet sein.The optimized central body has in the two embodiments shown a waisted, elongated teardrop shape and is. With respect to the longitudinal axis of the diffuser formed rotationally symmetrical. The central body 35 ' respectively. 35 ' is almost as long as the diffuser 30 ' respectively. 30 '' , For example, the central body may be 0.9 to 1.1 times as long as the diffuser.

Ein wesentlicher Vorteil beim Einsatz Diffusors mit Zentralkörper besteht darin, dass sich eine deutlich homogenere Wärmeübergangsverteilung am Ziel erreichen lässt. Dies beruht auf der deutlich homogeneren Strahlverteilung im Fernfeld. Bei den in 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen erfolgt keine Ablösung der Strömung von den Diffusorwänden. Das Fluid durchströmt den Diffusor 30' bzw. 30'' sowohl eng an den Diffusorwänden anliegend, als auch eng an dem Zentralkörper 35' bzw. 35'' anliegend. Dadurch kann das Fluid in einem Strahl mit homogener Geschwindigkeitsverteilung aus dem Diffusor austreten, der sich in Richtung der verlängerten Längsachse des Diffusors weiter ausbreitet.An essential advantage of using a diffuser with a central body is that a significantly more homogeneous heat transfer distribution can be achieved at the target. This is based on the much more homogeneous beam distribution in the far field. At the in 4 and 5 In the embodiments shown, there is no separation of the flow from the diffuser walls. The fluid flows through the diffuser 30 ' respectively. 30 '' both close to the diffuser walls and close to the central body 35 ' respectively. 35 '' fitting. As a result, the fluid can emerge from the diffuser in a jet with a homogeneous distribution of velocity, which propagates further in the direction of the extended longitudinal axis of the diffuser.

Durch die Anordnung des Zentralkörpers in dem Diffusor verbessert sich die Wärmeübergangsverteilung im Fernfeld um 25% bis 30% gegenüber einem Diffusor ohne Zentralkörper. Gleichzeitig erfolgt auch eine Erhöhung des Wärmeübergangs von bis zu 5% auf das zu wärmende/kühlende Gut.The arrangement of the central body in the diffuser improves the heat transfer distribution in the far field by 25% to 30% compared to a diffuser without central body. At the same time, there is also an increase in the heat transfer of up to 5% to the material to be heated / cooled.

Das Verwenden eines Diffusors mit Zentralkörpers bewirkt zudem keinen wesentlichen Druckverlust, im Gegenteil kann der Druckverlust um bis zu 0,5% verkleinert werden.The use of a diffuser with central body also causes no significant pressure loss, on the contrary, the pressure loss can be reduced by up to 0.5%.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Diffusordiffuser
22
Düseneingangnozzle inlet
33
Düsenausgangnozzle exit
44
Strömungskanalflow channel
66
Düsenwandnozzle wall
2020
Diffusordiffuser
2222
Düseneingangnozzle inlet
2323
Düsenausgangnozzle exit
2424
Strömungskanalflow channel
2525
Zentralkörpercentral body
2626
Düsenwandnozzle wall
3030
Diffusordiffuser
30'30 '
Diffusordiffuser
30''30 ''
Diffusordiffuser
3232
Düseneingangnozzle inlet
3333
Düsenausgangnozzle exit
35'35 '
Zentralkörpercentral body
35''35 ''
Zentralkörpercentral body
AA
Ausgangsflächeoutput surface
Ee
Eingangsflächeinput surface
FF
Fernfeldfar field
HH
HauptströmungsrichtungMain flow direction
MM
Mittelachsecentral axis
NN
Nahfeldnear field
SS
StrahlfeldStrahlfeld
S'S '
StrahlfeldStrahlfeld
S''S ''
StrahlfeldStrahlfeld
W1W1
Wirbelwhirl
W2W2
Wirbelwhirl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 2006/0151633 [0005] US 2006/0151633 [0005]

Claims (14)

Diffusor mit einem Düseneingang (22), einem Düsenausgang (23) und einem von dem Düseneingang (22) zum Düsenausgang (23) in eine Hauptströmungsrichtung (H) hin verlaufenden Strömungskanal (24), wobei der Strömungskanal (24) an seinen Querschnittsenden von Diffusorwänden (26) begrenzt ist und am Düseneingang (22) eine kleinere Querschnittsfläche (E) als am Düsenausgang (23) aufweist, und wobei im Strömungskanal (24) innerhalb des Diffusors (20) ein Zentralkörper (25) angeordnet ist.Diffuser with a nozzle inlet ( 22 ), a nozzle exit ( 23 ) and one of the nozzle entrance ( 22 ) to the nozzle outlet ( 23 ) in a main flow direction (H) extending flow channel ( 24 ), wherein the flow channel ( 24 ) at its cross-sectional ends of diffuser walls ( 26 ) is limited and at the nozzle entrance ( 22 ) has a smaller cross-sectional area (E) than at the nozzle exit ( 23 ), and wherein in the flow channel ( 24 ) within the diffuser ( 20 ) a central body ( 25 ) is arranged. Diffusor nach Anspruch 1, wobei der Zentralkörper (25) in der Mitte eines Querschnitts durch den Strömungskanal (24) angeordnet ist.Diffuser according to claim 1, wherein the central body ( 25 ) in the middle of a cross section through the flow channel ( 24 ) is arranged. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zentralkörper (25) so geformt und so im Strömungskanal (24) angeordnet ist, dass der Zentralkörper (25) an den Diffusorwänden (26) eine Strömungsablösung eines den Diffusor (20) durchströmenden Fluids reduziert.Diffuser according to claim 1 or 2, wherein the central body ( 25 ) shaped and so in the flow channel ( 24 ) is arranged such that the central body ( 25 ) on the diffuser walls ( 26 ) a flow separation of the diffuser ( 20 ) is reduced by flowing fluid. Diffusor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Zentralkörper (25) bezüglich einer Mittelachse (M) des Strömungskanals (24) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.Diffuser according to one of the preceding claims, wherein the central body ( 25 ) with respect to a central axis (M) of the flow channel ( 24 ) is rotationally symmetrical. Diffusor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Düsenausgang (23) im Querschnitt (A) eine mindestens 10% größere Fläche aufweist als der Düseneingang (22) im Querschnitt (E).Diffuser according to one of the preceding claims, wherein the nozzle outlet ( 23 ) in cross section (A) at least 10% larger area than the nozzle entrance ( 22 ) in cross-section (E). Diffusor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Strömungskanal (24) des Diffusors (20) sich in Hauptströmungsrichtung (H) so stark aufweitend ausgebildet ist, dass der Strömungskanal (24) ohne den Zentralkörper (25) eine Strömungsablösung eines den Diffusor (20) durchströmenden Fluids verursacht.Diffuser according to one of the preceding claims, wherein the flow channel ( 24 ) of the diffuser ( 20 ) is formed in the main flow direction (H) so strong widening that the flow channel ( 24 ) without the central body ( 25 ) a flow separation of the diffuser ( 20 ) caused by flowing fluid. Diffusor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Zentralkörper (25) austauschbar im Strömungskanal (24) des Diffusors (20) angebracht ist.Diffuser according to one of the preceding claims, wherein the central body ( 25 ) interchangeable in the flow channel ( 24 ) of the diffuser ( 20 ) is attached. Diffusor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Diffusor (20) dazu ausgebildet und vorgesehen ist, von einem vorbestimmten Fluid unter einem vorbestimmten Druck mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit in Hauptströmungsrichtung (H) durchströmt zu werden.Diffuser according to one of the preceding claims, wherein the diffuser ( 20 ) is designed and provided to be flowed through by a predetermined fluid under a predetermined pressure at a predetermined speed in the main flow direction (H). Diffusor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Diffusor (20) als Weitwurfdüse ausgebildet ist.Diffuser according to one of the preceding claims, wherein the diffuser ( 20 ) is designed as a long-throw nozzle. Diffusor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Diffusorwände (26) im Längsschnitt zumindest stellenweise um einen Aufweitwinkel von jeweils zumindest 10° gegenüber der Mittelachse (M) des Strömungskanals (24) geneigt sind.Diffuser according to one of the preceding claims, wherein the diffuser walls ( 26 ) in longitudinal section at least in places by an expansion angle of at least 10 ° with respect to the central axis (M) of the flow channel ( 24 ) are inclined. Diffusor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Zentralkörper (25) so geformt ist, dass er im Fernfeld (F) eines aus dem Diffusor (20) ausgetretenen Fluids eine im Wesentlichen homogene Strömungsgeschwindigkeitsverteilung senkrecht zum Richtungsvektor der Hauptströmungsrichtung (H) bewirkt.Diffuser according to one of the preceding claims, wherein the central body ( 25 ) is shaped in such a way that in the far field (F) one of the diffusers ( 20 ) leaked fluid causes a substantially homogeneous flow velocity distribution perpendicular to the direction vector of the main flow direction (H). Diffusor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Strömungskanal (24) innerhalb des Diffusors (20) mehrere Zentralkörper (25) angeordnet sind.Diffuser according to one of the preceding claims, wherein in the flow channel ( 24 ) within the diffuser ( 20 ) a plurality of central bodies ( 25 ) are arranged. Verfahren zur Berechnung der Geometrie eines Diffusors (20) mit den Schritten: – Auswählen eines vorbestimmten Fluids zum Durchströmen des Diffusors entlang eines Strömungskanals (24) des Diffusors (20), – Auswählen einer vorbestimmten Eindringtiefe für das vorbestimmte Fluid nachdem das Fluid den Strömungskanal (24) durchströmt hat, – Berechnen einer optimierten Form für Diffusorwände (26), die den Strömungskanal (24) des Diffusors (20) an seinen Querschnittsenden begrenzen und – Berechnen einer optimierten Form für einen im Strömungskanal (24) des Diffusors (20) angeordneten Zentralkörper (25).Method for calculating the geometry of a diffuser ( 20 comprising the steps of: selecting a predetermined fluid to flow through the diffuser along a flow channel ( 24 ) of the diffuser ( 20 ), - selecting a predetermined penetration depth for the predetermined fluid after the fluid reaches the flow channel ( 24 ), - calculating an optimized shape for diffuser walls ( 26 ), which the flow channel ( 24 ) of the diffuser ( 20 ) at its cross-sectional ends and - calculating an optimized shape for one in the flow channel ( 24 ) of the diffuser ( 20 ) arranged central body ( 25 ). Verwenden eines Diffusors nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Trocknung von zumindest einem Gut und/oder zur Klimatisierung.Use of a diffuser according to one of claims 1 to 12 for drying at least one good and / or for air conditioning.
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