DE19646561A1 - Verfahren und Vorrichtung zum freien Transportieren eines Fluids - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum freien Transportieren eines Fluids, wobei ein Fluidstrom aus einer Austrittsdüse ausgestoßen wird.

Der Transport von Fluiden, nämlich strömenden Medien in flüssigem oder gasförmigem Aggregatzustand, erfolgt üb­ licherweise in Kanälen. Diese Kanäle bilden eine Abgrenzung zwischen den transportierten Fluiden und der Umgebung. Sie verhindern eine Vermischung und beeinflussen den Wärmeüber­ gang. Mitunter sind jedoch Kanäle nicht erwünscht, oder eine Kanalführung ist überhaupt nicht möglich.

In solchen Fällen bedient man sich des eingangs genann­ ten freien Transports der Fluide, wobei der aus der Aus­ trittsdüse ausgestoßene Fluidstrom bisher als Freistrahl auf den Zielpunkt gerichtet wurde. Diese Freistrahlen haben je­ doch den großen Nachteil, daß aufgrund der fehlenden Kanali­ sierung eine Mischung zwischen dem zu transportierenden Fluid und der Umgebung eintritt. Daraus resultieren zwei un­ erwünschte Effekte. Zum einen gelangt nur ein geringer An­ teil des ursprünglichen Massenstroms zum Ziel. Zum anderen transportiert der Freistrahl einen Massenstrom, der zu einem hohen Anteil aus der Umgebung stammt. Diese Induktion ist eine Funktion der Düsengeometrie, der Austrittsgeschwindig­ keit und der Entfernung.

Als konkretes Beispiel sei die Mischlüftung aus der Lüf­ tungstechnik erwähnt. Dabei wird Zuluft mittels Luftdurch­ lässen in den Raum eingebracht und als Mischlüftung im Raum verteilt. Will man den Zulufteintritt in den eigentlichen Aufenthaltsbereich hineinlegen, so ergeben sich in der Praxis Probleme mit der Kanalführung. Beispielsweise führen Krananlagen in Industrie- und Gewerbehallen dazu, daß der Einbau von Lüftungskanälen, wenn überhaupt, nur unter großem Aufwand möglich ist. Auch soll der Aufenthaltsbereich nicht durch Kanäle behindert werden, die gegebenenfalls die Flexi­ bilität der Nutzung beeinträchtigen. Bringt man die Zuluft hingegen oberhalb des Aufenthaltsbereichs ein, so ist insbe­ sondere bei hohen Räumen (H < 5m) die Lüftungseffizenz schlecht. Auch ist der Belastungsgrad im Aufenthaltsbereich hoch. Mittels des Düsenstrahls wird einerseits der Ther­ mikluftstrom gestört, der Schadstoffe von unten nach oben transportiert, und es wird andererseits belastete Raumluft induziert und in den Aufenthaltsbereich zurückgeführt.

Vergleichbare Beispiele gibt es in hydraulischen Anla­ gen, und zwar dort, wo spezielle Anwendungen den Einsatz von Kanälen in Form von Rohren aus verfahrenstechnischen Gründen verbieten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim freien Transport von Fluiden den Massenstromaustausch mit der Umge­ bung beherrschbar zu machen, d. h., im wesentlichen erst dort zuzulassen, wo der eigentliche Transportvorgang beendet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom zur Bildung von Wirbelringen diskontinuier­ lich als pulsierender primärer Fluidstrom aus der Austritts­ düse ausgestoßen wird und daß ein sekundärer Fluidstrom er­ zeugt wird, der den primären Fluidstrom am Orte der Aus­ trittsdüse ringförmig umgibt.

Bei der Erzeugung der Wirbelringe wickeln sich der pri­ märe und der sekundäre Fluidstrom ringförmig auf. Der Wir­ belring besteht also aus einem Gemisch des primären Fluid­ stroms mit dem sekundären Fluidstrom. Hat sich der Wirbel­ ring vollständig ausgebildet, so bleibt seine Masse während der Translation konstant. Es wird weder Masse an die Umge­ bung abgegeben noch Masse aus der Umgebung aufgenommen. Die Transportverhältnisse entsprechen also denen einer kanali­ sierten Strömung, ohne daß hierzu Kanäle erforderliche wä­ ren.

Im Vergleich zu einem Transport mit Freistrahlen wird ein geringerer Massenstrom benötigt. Auch findet eine gerin­ gere Störung von Sekundärströmungen (zum Beispiel Ther­ mikströmungen) statt. Schließlich bietet die Erfindung die Möglichkeit, einen gezielten Wärmeaustausch zwischen der Um­ gebung und dem zu transportierenden Fluid zu bewirken.

Am Zielort lösen sich die Wirbelringe durch Vermischung mit der Umgebung auf. Trifft ein Wirbelring am Zielort auf eine Fläche, so wird der Translationsimpuls in den Rota­ tionsimpuls umgesetzt. Dies führt jedoch nicht zu einer grö­ ßeren Drehzahl, sondern zu einer Durchmesservergrößerung des Rings. Infolge der Reibung wird der gesamte Impuls abgebaut, und der Wirbelring löst sich vollständig auf, ohne die Be­ haglichkeitsbedingungen von Personen zu beeinträchtigen, wie es etwa bei konstanten Luftströmungen durch das Auftreten von Zugerscheinungen der Fall ist.

Die Erfindung ist vor allen Dingen konzipiert für die Lüftungs- und Klimatisierungstechnik. Sie läßt sich jedoch überall dort einsetzen, wo es darum geht, ein gasförmiges oder flüssiges Medium kanalfrei bzw. rohrfrei durch einen Raum zu transportieren und dabei den Stoffaustausch mit der Umgebung zu beherrschen.

Die Wirbelringtechnik als solche ist nicht neu. Sie wurde bisher jedoch mit kontroverser Zielrichtung einge­ setzt, nämlich zur Durchführung von Mischvorgängen mit der Umgebung ohne Einsatz eines sekundären Fluidstroms, siehe beispielsweise die US-PS 5,100,242. Die Translation der Wir­ belringe spielt dabei in dem räumlich begrenzten Mischbehäl­ ter keine Rolle. Gleiches gilt dementsprechend auch für den Massetransport.

Im Rahmen der Erfindung besteht die Möglichkeit, den primären und den sekundären Fluidstrom aus ein und demselben Medium oder aber auch aus unterschiedlichen Medien zu erzeu­ gen.

Neben dem Massetransport lassen sich auch Wärmeüber­ gangsvorgänge steuern, beispielsweise dadurch, daß die Wir­ belringe aus einem oder zwei Heiz- oder Kühlmedien erzeugt werden.

Von Bedeutung ist, daß der sekundäre Fluidstrom die Aus­ bildung der Wirbelringe nicht stört, sondern vielmehr för­ dert. Hierzu hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß der sekundäre Fluidstrom als kontinuierlicher Fluidstrom erzeugt wird. Ferner ist es unter diesen Gesichtspunkten vorteil­ haft, daß der sekundäre Fluidstrom im wesentlichen parallel zum primären Fluidstrom ausgerichtet wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum freien Transportie­ ren eines Fluids weist eine Austrittsdüse zum Ausstoßen eines Fluidstroms auf und ist zur Lösung der gestellten Auf­ gabe dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüse an einer Einrichtung zum Erzeugen einer pulsierenden Strömung ange­ schlossen ist, um den Fluidstrom zur Bildung von Wirbelringen diskontinuierlich als pulsierenden primären Fluidstrom auszustoßen, und daß die Austrittsdüse von einer Ringdüse zum Erzeugen eines sekundären Fluidstroms umgeben ist. Die Vorrichtung weist also einen extrem einfachen Auf­ bau auf.

Vorteilhafterweise bildet die Ringdüse auf der Höhe der Austrittsdüse eine diffusorartige Erweiterung, und zwar vor­ zugsweise dadurch, daß die Ringdüse mit einer konischen Flä­ che an die Austrittsdüse anschließt. Die Erweiterung führt zu einer Verzögerung der sekundären Fluidströmung, wodurch die Ausbildung der Wirbelringe unter Mischung der beiden Fluidströme gefördert wird.

Dabei wird ferner vorgeschlagen, die Ringdüse an eine Dosiereinrichtung zum Abgeben des sekundären Fluidstroms als kontinuierlichen Fluidstrom anzuschließen.

Eine wesentliche Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Ringdüse mit ihrer Außenwand eine über die Austrittsdüse vorstehende Wirbelkammer bildet. Die Wirbel­ kammer schafft in einfacher Weise eine sehr wirksame Ab­ schirmung der im entstehen begriffenen Wirbelringe gegen die Umgebung, so daß also gewährleistet werden kann, daß die Wirbelringe auch tatsächlich nur aus dem primären und dem sekundären Fluid bestehen. Nach dem Stabilisieren der Wir­ belringe können diese aus dem Austrittsende der Wirbelkammer austreten, da nun kein Stoffaustausch mehr mit der Umgebung stattfindet. Zur günstigen Strömungsführung bildet die Wir­ belkammer an ihrem Austrittsende eine Erweiterung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Axialschnitt durch eine Vorrichtung zum frei­ en Transportieren eines Fluids.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 weist eine Austrittsdüse 1 auf, die an eine nicht dargestellte Einrichtung zum Erzeugen einer pulsierenden Strömung angeschlossen ist. Die Aus­ trittsdüse 1 dient zum Ausstoßen eines pulsierenden primären Fluidstroms.

Die Austrittsdüse 1 ist von einer Ringdüse 2 umgeben, die zum Ausstoßen eines kontinuierlichen sekundären Fluid­ stroms dient.

Der pulsierende primäre Fluidstrom bildet einen Wirbel­ ring 3 aus, und zwar, wie deutlich aus Fig. 1 zu ersehen, unter Einbeziehung von Masse aus dem kontinuierlichen sekun­ dären Fluidstrom. Dieser Vorgang wird dadurch erleichtert, daß die Ringdüse 2 mit einer konischen Fläche 4 an die Aus­ trittsdüse 1 anschließt und auf diese Weise eine diffusorar­ tige Erweiterung bildet, die zu einer Verzögerung des konti­ nuierlichen sekundären Fluidstroms führt.

Die Ringdüse 2 bildet mit ihrer Außenwand 5 eine Wirbel­ kammer, die den Entstehungsbereich der Wirbelringe 3 gegen die Umgebung abschirmt und eine Erweiterung 6 aufweist, aus der die fertigen Wirbelringe 3 austreten.

Die Wirbelringe 3 bestehen aus einem Gemischmassenstrom, der sich aus dem primären und dem sekundären Fluidstrom zu­ sammensetzt. Nach fertiger Ausbildung der Wirbelringe 3 bleibt deren Masse stabil, so daß also kein Stoffaustausch mit der Umgebung stattfindet. Vielmehr transportieren die Wirbelringe ihre Masse durch den Raum.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmög­ lichkeiten gegeben. So kann die Form der Wirbelkammer anders gewählt werden. Gleiches gilt für den Übergangsbereich, an dem die Austrittsdüse mit der Ringdüse zusammentrifft. Die beiden Fluidströme können gleichartig oder unterschiedlich geartet sein. Dies gilt nicht nur für ihre Zusammensetzung, sondern auch für ihre Temperierung.

Claims (9)

1. Verfahren zum freien Transportieren eines Fluids, wo­ bei ein Fluidstrom aus einer Austrittsdüse ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom zur Bildung von Wirbelringen diskon­ tinuierlich als pulsierender primärer Fluidstrom aus der Austrittsdüse ausgestoßen wird und daß ein sekundärer Fluid­ strom erzeugt wird, der den primären Fluidstrom am Orte der Austrittsdüse ringförmig umgibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Fluidstrom als kontinuierlicher Fluidstrom erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der sekundäre Fluidstrom im wesentlichen parallel zum primären Fluidstrom ausgerichtet wird.

4. Vorrichtung zum freien Transportieren eines Fluids, mit einer Austrittsdüse zum Ausstoßen eines Fluidstroms, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüse (1) an einer Einrichtung zum Er­ zeugen einer pulsierenden Strömung angeschlossen ist, um den Fluidstrom zur Bildung von Wirbelringen diskontinuierlich als pulsierenden primären Fluidstrom auszustoßen, und daß die Austrittsdüse (1) von einer Ringdüse (2) zum Erzeugen eines sekundären Fluidstroms umgeben ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdüse (2) auf der Höhe der Austrittsdüse (1) eine diffusorartige Erweiterung bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdüse (2) mit einer konischen Fläche (4) an die Austrittsdüse anschließt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdüse (2) an eine Dosiervorrich­ tung zum Abgeben des sekundären Fluidstroms als kontinuier­ lichen Fluidstrom angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdüse (2) mit ihrer Außenwand (5) eine über die Austrittsdüse (1) vorstehende Wirbelkammer bildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer an ihrem Austrittsende eine Erweiterung (6) bildet.