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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der
US-Anmeldung 62/021,300 , eingereicht beim U.S. Patent- und Markenamt am 7. Juli 2014, dessen Offenbarung durch Bezugnahme zum Bestandteil dieser Anmeldung wird.
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Anlagen und Verfahren zur Erzeugung von Wirbeln in Rohrleitungen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Anlagen und Verfahren zum Erzeugen von Wirbeln und/oder Strömungsstörungen unter Verwendung von mindestens zwei Lochscheiben, wobei jede Lochscheibe eine versetzte Öffnung oder Loch besitzt.
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Hintergrund der Erfindung
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Der Durchfluss von Flüssigkeiten, Gasen, und/oder Fluiden durch Rohre ist in einer Vielzahl von Branchen und industriellen Anwendungen weit verbreitet, einschließlich, aber nicht begrenzt auf, schwere und leichte Chemikalien-, Stahl-, Papier-, Kerntechnik-, Petrochemikalien-, Turbomaschinen-, und diverse Rohleitungsanlagen. Unter bestimmten Umständen kann ein Durchfluss durch ein Rohr einer Vielzahl von Strömungsstörungen, wie einem Wirbel, ausgesetzt sein. Ein Wirbel kann die Neigung haben, über erhebliche Entfernungen stromabwärts weiterzuwandern, und erfordert daher die Verwendung von äußerst langen Rohrlängen, um die Auswirkungen des Wirbels zu kontrollieren und/oder zu abzuschwächen. Dennoch kann es in einigen Fällen wünschenswert sein, Wirbel und/oder Strömungsstörungen in diversen Fluiddynamik-Einstellungen absichtlich zu verursachen oder zu erzeugen.
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Insbesondere kann es vorteilhaft sein, einen Wirbel in einer kontrollierten Umgebung absichtlich zu erzeugen, um unter anderem die Leistung von Durchflussmessern und/oder Strömungskonditionierern mit dem Bestreben zu untersuchen, die Gesamtleistung zu verbessern. Durch Erzeugung eines Wirbels in einer kontrollierten Umgebung kann die Antwort des Durchflussmessers und/oder Strömungskonditionierers auf den Wirbel getestet, geprüft und möglicherweise modifiziert werden. Darüber hinaus kann ebenso das Verhalten und die Reaktion des Stoffstromes unter diversen Strömungsbedingungen durch absichtliche Wirbelerzeugung untersucht werden.
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Obwohl diverse Verfahren zur Erzeugung von Wirbeln existieren, werden diese Verfahren durch Einschränkungen insofern erschwert, als dass sie (1) auf die Erzeugung von nur bestimmten Wirbelgrößen begrenzt sind; (2) durch eine feste Geometrie begrenzt sind und somit in einen bestimmten Wirbelwinkel festgelegt sind; und/oder (3) dadurch begrenzt sind, dass sie geschwindigkeitssensitiv sind. Zum Beispiel können Anordnungen von Turbinenblättern und/oder Leitschaufeln zur Erzeugung von Wirbeln verwendet werden. Diese Herangehensweise zur Wirbelerzeugung erfordert jedoch eine feste Geometrie und ist zusätzlich durch die Geschwindigkeitssensitivität eingeschränkt (z.B. treten gelegentlich Wirbelablösungen und Wirbelabrisse bei bestimmten Geschwindigkeiten auf.)
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So ist aus der
DE 697 25 077 T2 eine Vorrichtung zum Regeln des Brennstoff-Ablassstromes für eine Turbine mit Nachverbrennung bekannt
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Dementsprechend besteht ein Bedarf an Anlagen und Verfahren zur Erzeugung von Wirbeln, die in der Lage sind, die Größe und die Menge des erzeugten Wirbels unter kontrollierten Bedingen anzupassen, und welche die zuvor genannten Beschränkungen nicht enthalten. Außerdem wäre es für Anlagen und Verfahren vorteilhaft, wenn sie zuverlässig, wiederholbar, anwendbar für eine Vielzahl von Strömungsbedingungen, fluiddynamisch überprüfbar, leicht veränderbar, um verschiedene Level oder Größen von Wirbeln bereitzustellen, und kosteneffizient sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung stellt in einer Ausführungsform eine Anlage zur Wirbelerzeugung zur Verfügung, gekennzeichnet durch ein Rohr und mindestens zwei Lochscheiben, die in einem Abschnitt des Rohres angeordnet sind und einen Wirbelerzeugungsbereich definieren. Jede Lochscheibe hat eine versetzte Öffnung oder Loch und ist so angeordnet, dass sie eine Position hat, die innerhalb des Wirbelerzeugungsbereiches einstellbar ist. Jede Lochscheibe ist in einem zueinander variablen Winkel ausgerichtet, um eine variable Wirbelgröße zu erzeugen, wenn Fluidströmung den Wirbelerzeugungsbereich verlässt.
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Die Erfindung stellt in einer weiteren Ausführungsform zu jeder der vorherigen Ausführungsformen eine Anlage bereit, die zusätzlich durch ein an einer Lochscheibe festgelegtes Leitblech, das sich in den Wirbelerzeugungsbereich erstreckt, gekennzeichnet ist.
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Die Erfindung stellt in einer weiteren Ausführungsform zu jeder der vorherigen Ausführungsformen eine Anlage bereit, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die versetzte Öffnung oder Loch einen Durchmesser in einem Bereich von ungefähr 30 bis 50% des Rohrinnendurchmessers aufweist.
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Die Erfindung stellt in einer weiteren Ausführungsform zu jeder der vorherigen Ausführungsformen eine Anlage bereit, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die mindestens zwei Lochscheiben jeweils zusätzlich einen Griff umfassen, wobei sich die versetzte Öffnung oder Loch außermittig auf der Lochscheibe zum Griff hin befindet.
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Die Erfindung stellt in einer weiteren Ausführungsform zu jeder der vorherigen Ausführungsformen eine Anlage bereit, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die mindestens zwei Lochscheiben jeweils zusätzlich einen Griff umfassen, wobei sich die versetzte Öffnung oder Loch außermittig auf der Lochscheibe vom Griff weg befindet.
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Die Erfindung stellt in einer weiteren Ausführungsform ein Verfahren zur Wirbelerzeugung in einem Stoffstrom bereit. Eine Anlage zur Wirbelerzeugung wird bereitgestellt, gekennzeichnet durch ein Rohr und mindestens zwei Lochscheiben, die sich innerhalt eines Rohrabschnittes befinden und einen Wirbelerzeugungsbereich bestimmen. Jede Lochscheibe hat eine versetzte Öffnung oder Loch und ist so angeordnet, dass sie eine Position hat, die innerhalb des Wirbelerzeugungsbereiches einstellbar ist. Jede Lochscheibe ist in einem zueinander variablen Winkel ausgerichtet, um eine variable Größe des Wirbels zu erzeugen, wenn Fluidstrom den Wirbelerzeugungsbereich verlässt. Der Stoffstrom tritt durch einen Rohreinleitungsabschnitt ein, durchläuft den Wirbelerzeugungsbereich und fließt in einen Rohrauslassabschnitt. Ein Wirbel wird in dem Stoffstrom durch Positionierung der mindestens zwei Lochscheiben in einem zueinander variablen Orientierungswinkel erzeugt.
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Die Erfindung stellt in einer weiteren Ausführungsform zu jeder der vorherigen Ausführungsformen ein Verfahren bereit, das zusätzlich durch Bereitstellung eines an einer Lochscheibe festgelegten Leitbleches, der sich in den Wirbelerzeugungsbereich erstreckt, gekennzeichnet ist.
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Die Erfindung stellt in einer weiteren Ausführungsform zu jeder der vorherigen Ausführungsformen ein Verfahren bereit, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die mindestens zwei Lochscheiben zwischen 0 und 90 Grad bezüglich eines ursprünglichen Ausgangspunktes innerhalb des Wirbelerzeugungsbereiches gedreht sind.
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Die Erfindung stellt in einer weiteren Ausführungsform zu jeder der vorherigen Ausführungsformen ein Verfahren bereit, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die mindestens zwei Lochscheiben zusätzlich je einen Griff umfassen, wobei sich die versetzte Öffnung oder Loch außermittig auf der Lochscheibe zum Griff hin befindet.
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Die Erfindung stellt in einer weiteren Ausführungsform zu jeder der vorherigen Ausführungsformen ein Verfahren bereit, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die mindestens zwei Lochscheiben zusätzlich je einen Griff umfassen, wobei sich die versetzte Öffnung oder Loch außermittig auf der Lochscheibe vom Griff weg befindet.
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Figurenliste
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen kann die vorliegende Offenbarung besser verstanden und ihre zahlreichen Merkmale und Vorteile den Fachleuten verdeutlicht werden.
- 1 ist eine perspektivische Darstellung von zwei Lochscheiben gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 ist eine Darstellung einer Lochscheibe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein Leitblech aufweist.
- 3 ist eine Darstellung von zwei Lochscheiben und einem Leitblech gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 ist eine Darstellung einer Lochscheibe gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 5 ist eine Darstellung eines Strömungsprofils durch einen Wirbelerzeugungsbereich gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 6 ist eine Darstellung eines Strömungsprofils durch einen Wirbelerzeugungsbereich gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Lochscheiben werden üblicherweise zur Messung, Anpassung und Kontrolle von Fluidströmung verwendet. Lochscheiben werden üblicherweise zwischen einem Satz von Lochscheibenflanschen angebracht und in einem geraden Abschnitt eines glatten Rohres installiert.
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Bei Betrachtung der Fluiddynamik erfährt der Fluidstrom durch eine Lochscheibe Veränderungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Druck. Unter Berücksichtigung von diversen Annahmen (z.B. horizontales Rohr, stabiler Durchfluss, inkompressibler Durchfluss, ohne Reibung oder Verluste), wird das Fluid beim Passieren einer Öffnung üblicherweise konvergieren. Hierbei wird die Geschwindigkeit des Fluids erhöht und gleichzeitig ein Druckabfall festgestellt. Wenn das Fluid die Öffnung verlässt und weiter stromabwärts fließt, wird das Fluid beginnen zu divergieren. Hierbei wird die Geschwindigkeit des Fluids abnehmen und der Druck sich üblicherweise erhöhen.
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Die vorliegende Erfindung umfasst eine Anlage zur Wirbelerzeugung in einer Rohrleitung. Anlagen der vorliegenden Erfindung umfassen ein Rohr mit einem Einlass- und einem Auslassabschnitt; mindestens zwei Lochscheiben, wobei jede Lochscheibe eine versetzte (d.h. außermittige) Öffnung oder Loch aufweist. Der Bereich zwischen den mindestens zwei Lochscheiben definiert einen Wirbelerzeugungsbereich.
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In besonderen Ausführungsformen kann die Anlage eine Vielzahl von Lochscheiben beinhalten, die sich in einem Abschnitt des Rohres befinden. Daher kann die Anlage drei Lochscheiben, vier Lochscheiben, usw., die in unterschiedlichen Winkeln und Trennabständen voneinander positioniert sind, um eine variable gewünschte Wirbelgröße zu erzielen, umfassen.
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In besonderen Ausführungsformen können der Rohreinlassabschnitt und der Rohrauslassabschnitt und/oder der Wirbelerzeugungsbereich einen Durchmesser von etwa 5,08 bis etwa 101,6 cm (2 bis etwa 40 inches) haben. Die mindestens zwei Lochscheiben können durch eine Distanz von 2.5 D bis 5 D, wobei D sich auf den Rohrinnendurchmesser bezieht, getrennt sein.
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In Ausführungsformen kann der Durchmesser der versetzten Öffnung oder Loches etwa 30 bis 50 % des Rohrinnendurchmessers betragen. In Ausführungsformen kann die Position der versetzten Loches oder Öffnung als eine Innenwand des Rohres berührend angesehen werden.
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Die Lochscheiben können aus Stahl, Monel-Legierungen, Hastelloy®-Metalllegierungen, Edelstahl, wassergestrahltem Blech, Stahl mit einem hohen Nickel-Anteil, Kombination davon oder jedem geeigneten Material hergestellt sein.
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In besonderen Ausführungsformen kann die versetzte Öffnung oder Loch näher oder weiter entfernt von einem Griff der Lochscheibe entfernt sein.
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Im Hinblick auf die Arten von Stoffstrom können die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung so ausgelegt sein, um einen Stoffstrom, der hauptsächlich flüssig, hauptsächlich Gas, Fluidstrom, Strom mit festen Komponenten, Schlämmen, flüssiger und fester Stromstrom, Flüssigkeit, Gas, und dergleichen ist, aufzunehmen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jede Lochscheibe eine Position haben, welche innerhalb des Wirbelerzeugungsbereiches einstellbar ist. In Ausführungsformen kann jede Lochscheibe in dem Wirbelerzeugungsbereich über die Griffe in Bezug auf den ursprünglichen Ausgangspunkt, zum Beispiel von 0 bis 90 Grad, gedreht werden. Dadurch, dass man die Lochscheiben zueinander einstellbare Positionen haben läßt, können unterschiedliche Wirbelgrößen erzeugt und unterschiedliche Level von Strömungsstörungen erzeugt werden.
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Eine Lochscheibe kann ein Leitblech umfassen. In besonderen Ausführungsformen kann ein Leitblech an einer stromaufwärts gelegenen Lochscheibe festgelegt sein (z.B. eine Lochscheibe stromaufwärts des Wirbelerzeugungsbereiches). Das Leitblech kann derart in einer Anlage angeordnet sein, dass das Leitblech so wirkt, um den Strom entgegen der beabsichtigten Strömungsrichtung zu hindern, was ungewollt den erzeugten Wirbel verhindern würde. In besonderen Ausführungsformen kann ein Leitblech die Form von einem oder mehreren flachen Platten aufweisen.
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Unter Bezugnahme auf 1 ist eine perspektivische Frontansicht von zwei Lochscheiben 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Jede Lochscheibe umfasst eine versetzte Öffnung oder Loch 11, welche sich auf der Lochscheibe 10 zum Griff 12 hin befindet. Daher kann in einer besonderen Ausführungsform die Lochscheibe gemäß 1 für Stoffstrom von flüssigkeitsenthaltendem Gas, oder Stoffstrom, in dem die Hauptphase eine Flüssigkeit ist, verwendet werden.
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Unter Bezugnahme auf 2 umfasst die Lochscheibe 21 eine versetzte Öffnung oder Loch 24, einen Griff 22 und ein Leitblech 23. In Ausführungsformen kann das Leitblech dafür vorgesehen sein, um Rückfluss zu verhindern und zu gewährleisten, dass der Wirbel in einer konstanten Strömungsrichtung erzeugt wird. In Ausführungsformen kann das Leitblech 23 an die Lochscheibe 21 geschweißt sein. Der Fachmann wird sich bewusst sein, dass andere aus dem Stand der Technik bekannte Mittel zur Verbindung des Leitbleches an die Lochscheibe verwendet werden können.
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Unter Bezugnahme auf 3 ist eine Darstellung von mindestens zwei Lochscheiben 30 veranschaulicht. Jede der zwei Lochscheiben 30 hat eine versetzte Öffnung oder Loch 31. Die Lochscheibe 30 umfasst ebenso einen Griff 33. Mindestens eine der zwei Lochscheiben 30 umfasst eine Position 34 zur Verbindung mit dem Leitblech 32. In Ausführungsformen kann das Leitblech 32 an eine stromaufwärts gelegene Lochscheibe geschweißt werden.
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In Bezug zu 4 ist nun eine Darstellung einer Lochscheibe 40 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Ähnlich einer der Lochscheiben 30 gemäß 3 umfasst die Lochscheibe 40 eine Position 41, mit der ein Leitblech verbunden werden kann. Die Lochscheibe 40 umfasst eine versetzte Öffnung oder Loch 43 und einen Griff 42. Der Griff 42 kann verwendet werden, um die Position der Lochscheibe und versetzten Öffnung 43, zum Beispiel auf 45°, in Bezug auf die Ausgangsposition einzustellen.
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Anlagen-Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können derart ausgelegt sein, dass ein Fluidstrom, der in den Wirbelerzeugungsbereich und in einer axialen Richtung in Bezug auf das Einlassrohr eintritt, den Wirbelerzeugungsbereich verlässt und eine erzeugte Wirbelgröße aufweist. Die Wirbelgröße kann somit eine Funktion von mindestens einem von Öffnungsdurchmesser, Lochscheiben-Trennabstand oder Winkelposition der Lochscheiben sein. In einigen Ausführungsformen können die Anlagen Winkel von etwa 5 bis etwa 45 Grad an Fluidwirbel stromabwärts, zum Beispiel 10D stromabwärts, des Wirbelerzeugungsbereiches gemessenem Fluidwirbel erzeugen. Der Wirbelwinkel wird in Bezug auf einen axialen Geschwindigkeitswinkel gemessen. Er wird unter Verwendung der axialen Stromkomponente und einer transversalen Komponente des Wirbels berechnet. Wie erwähnt kann die Wirbelgröße durch Veränderung der Positionierung der Lochscheiben, Öffnungsdurchmesser, und/oder Lochscheiben-Trennabstand eingestellt werden.
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Anlagen-Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können derart ausgelegt sein, dass der den Wirbelerzeugungsbereich verlassende Fluidstrom rotationssymmetrisch zu einer Achse ist, die koaxial zu dem Einlassrohr (z.B. etwa einer longitudinalen Achse des Rohres) ist.
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5 stellt eine Darstellung eines Strömungsprofils durch einen Wirbelerzeugungsbereiches 50 zwischen zwei Lochscheiben 52A, 52B dar, wobei jede Lochscheibe eine versetzte Öffnung oder Loch 53 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist. Ein Stoffstrom bewegt sich durch den Wirbelerzeugungsbereich 50 in eine Richtung, wie durch den Pfeil A dargestellt. Der Wirbelerzeugungsbereich umfasst ein Leitblech 51, das mit einer Lochscheibe 52A verbunden ist. Ein Wirbel wird erzeugt, wenn der Stoffstrom die Lochscheiben 52A, 52B und das Leitblech durchströmt. Demzufolge hat der Strom, der die zweite Lochscheibe verlässt, eine bestimmte Wirbelgröße.
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6 stellt eine weitere Darstellung eines Strömungsprofils durch einen Wirbelerzeugungsbereiches 60 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereit. Der Wirbelerzeugungsbereich ist durch zwei Lochscheiben 61A, 61B definiert, wobei jede Lochscheibe eine versetzte Öffnung oder Loch hat. Ein Stoffstrom bewegt sich durch den Wirbelerzeugungsbereich 60 in eine Richtung, wie durch den Pfeil A dargestellt. Wie gezeigt haben der Stoffstrom, das aus der ersten Lochscheibe 61A austritt, und der Stoffstrom, der aus der zweiten Lochscheibe 61B austritt, eine bestimmte Wirbelgröße.
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Beispiel
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Die folgende Tabelle stellt ein Beispiel zur Wirbelerzeugung gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, in dem zwei Lochscheiben, die versetzte Löcher aufweisen, durch 76,2 cm (30 inches) in einem Abschnitt eines Rohres, das einen Rohrinnendurchmesser von 30,48 cm (12 inch) aufweist, voneinander getrennt wurden.
Tabelle 1: Beispiel-Größen der Wirbelerzeugung
| Wirbelgrößen |
| Winkelgrade der Lochscheiben-Trennung | Distanz stromabwärts von der Anlage |
| D = Rohrdurchmesser |
| - | 8D | 10D | 15D |
| 11.25° | 6.23° | 5.75° | 4.46° |
| 22.5° | 11.43° | 10.87° | 6.69° |
| 45° | 14.57° | 16.43° | 15.34° |
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Die vorliegende Erfindung umfasst Verfahren zur Erzeugung von Wirbel und/oder Strömungsstörung in einem Stoffstrom. Verfahren der vorliegenden Erfindung umfassen das Bereitstellen einer Anlage, die einen Einlassrohrabschnitt, einen Auslassrohrabschnitt und mindestens zwei Lochscheiben, die eine versetzte Öffnung oder Loch aufweisen und durch einen Rohrabschnitt voneinander getrennt sind, umfasst. Die Verfahren können die Wirbelerzeugung in einem Stoffstrom durch Positionierung der mindestens zwei Lochscheiben in einem relativ zueinander variablen Ausrichtungswinkel, z.B. durch Messung des Winkels zwischen den Griffen, umfassen. Ein Durchflussmesser kann den Effekt der Wirbelerzeugung auf mindestens eines von Durchflussmesser-Performance, Laufzeit des Ultraschallsignals, Lochscheibendruckdifferenz, Turbinenradzähler Schaufelgeschwindigkeit, und dergleichen messen.
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Wie oben angegeben können Anlagen und Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um Wirbel und/oder Strömungsstörungen in einer kontrollierten Umgebung zu erzeugen, um, unter anderem, die Leistungsfähigkeit von Strömungskonditionierern und/oder Durchflussmessern unter verschiedenen Strömungsbedingungen zu studieren. Von daher können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Gerät zur Prüfung der Durchfluss-Performance umfassen. Das Gerät kann eine Anlage zur Durchfluss-Erzeugung, wie oben beschrieben, und einen Kanal oder eine Leitung für die Aufnahme des durch den Wirbel erzeugten Stroms aus der Anlage umfassen. Der durch den Wirbel erzeugte Strom kann von dem Auslassabschnitt in den Kanal oder die Leitung eintreten. Geräte zur Prüfung der Durchfluss-Performance gemäß der vorliegenden Erfindung können ebenso eine Messvorrichtung zur Messung mindestens eines Merkmals, Parameters und/oder messbaren Variablen, die mit dem wirbelerzeugten Strom in Verbindung steht, umfassen.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Erzeugung unterschiedlicher Mengen an Fluidwirbeln in einer gegebenen Umgebung, mit Anlagen und Verfahren, die fluiddynamisch verifiziert, kontrollierbar, einstellbar, variabel, vielseitig, zuverlässig, wirtschaftlich realisierbar und wiederholbar sind. Die zuverlässige Einstellbarkeit von Anlagen und Verfahren der vorliegenden Offenbarung erlaubt den Benutzern ferner die Anpassung der Erfindung an existierende Rohrsysteme und/oder Stromsysteme, wodurch sich die Notwendigkeit zur Beschaffung von, unter anderem, bestimmten Rohrfittings oder bestimmten Konfigurationen, um verschiedene Arten oder Wirbelgrößen, usw. anzugehen und bereitzustellen, minimiert.
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Darüber hinaus sind die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zu Verfahren, die im Stand der Technik vorhanden sind, nicht auf eine bestimmte Geometrie festgelegt oder begrenzt, und können so angepasst werden, dass eine einzelne Anlage oder eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zur Erzeugung einer vielfachen Menge und/oder Wirbelgrößen in einer anpassbaren, zuverlässigen und wiederholbaren Art und Weise verwendet werden kann.
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In Anbetracht des Vorstehenden können Anlagen und Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die Leistungsfähigkeit von Durchflussmessern und/oder Strömungskonditionierern zu prüfen und zu untersuchen, um unter anderen die Leistungsfähigkeit ihrer Abmessungen und Designs zu verbessern.
